基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的硬件設計
本設計是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA,它內(nèi)部集成了兩個PowerPC405處理器, 4個10/100/1000M以太網(wǎng)MAC模塊,,運行頻率300MHz時,,具有420D-MIPS性能,能解決高速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸問題,,并且能解決通過網(wǎng)絡加載操作系統(tǒng)和交叉編譯等問題,。它內(nèi)部有448個可配置I/O口,2592kb BlockRAM,,能實現(xiàn)對各種外部設備的并行控制以及較多數(shù)據(jù)的存儲與處理,。加載一個操作系統(tǒng),一般需要幾十兆的內(nèi)存空間,,F(xiàn)PGA內(nèi)部自帶的RAM空間是遠遠不夠的,,本設計在板上擴展了兩片MICRON公司的256Mb DDR內(nèi)存,作為上電時操作系統(tǒng)的加載和運行空間?,F(xiàn)在主流的嵌入式操作系統(tǒng),,都需要搭建交叉編譯環(huán)境,把在主機上編寫好的可執(zhí)行文件下載到目標板上,,這就需要實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸,。由于XC4VFX40 自帶了以太網(wǎng)MAC模塊,只需要在外面添加個PHY芯片和帶隔離器的RJ45接口就能實現(xiàn)這個功能,。本設計由于對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時性要求很高,,因此采用Marvell公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片88E1111-RCJ。它能根據(jù)自身配置和主機設計,,實現(xiàn)10/100/1000M自適應傳輸,并且Linux本身對這個芯片提供了驅(qū)動支持,,實現(xiàn)無縫鏈接,。操作系統(tǒng)加載到DDR 中能快速有效的運行,,但是掉電就會丟失,因此必須加入FLASH芯片,,把系統(tǒng)文件存儲到外部FLASH中,。加電時,F(xiàn)PGA把操作系統(tǒng)文件從FLASH讀入到 DDR中運行,。FPGA設計當然會擴展很多接口出來,,利用自身并行處理的優(yōu)勢,控制很多外圍設備,,本設計也不例外,,擴展了8個通用的GPIO,2個PS/2接口,,1個USB接口,,1個AC97聲卡接口,1個 HotLink接口,,以及4個RS422接口,,同時擴展了兩個CPCI接口,引出了16位數(shù)據(jù)地址線和Ethernet控制線,,整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示,。
在進行電路設計時,是以FPGA為核心,,向外擴展各種設備,,因此特別注意了FPGA各個引腳的連接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V電壓,,因此和DDR,、PHY芯片連接引腳所在的BANK需要提供+2.5V電壓參考,并且不能接以LVTTL或LVCMOS為電壓參考的引腳,。重要快速的時鐘信號必須接到全局時鐘引腳上,。由于FPGA需要通過外部FLASH啟動操作系統(tǒng),需要并行配置,,以減少加載時間,,配置電路如圖2所示。在DDR布線時,,數(shù)據(jù)和地址線需要走等長線,,數(shù)據(jù)線之間不能相差10Mil,地址線要控制在20Mil以內(nèi),時鐘也需要走差分等長線,,長度應大于地址線,,DDR各個信號還需要47Ω的并行端接,改善信號質(zhì)量。千兆 PHY 輸出MDI信號也需要在頂層做差分等長,,不然在進行1000M數(shù)據(jù)傳輸時很可能不穩(wěn)定,。DDR和PHY需要完整的電源回路做參考,電源層劃分時也要特別注意,,其他電路做常規(guī)處理就可以了,。
EDK和ISE軟件設計
首先需要調(diào)用Xilinx提供的 EDK軟件,對各個模塊加入必要的IPCORE,,以便操作系統(tǒng)能正常調(diào)用這些器件的驅(qū)動操作他們,。本設計采用的是EDK10.1.2版本,PPC方面選用ppc405內(nèi)核,,頻率設定在300MHz,,同時需要添加中斷輸入引腳,以便響應以太網(wǎng),、串口等外部中斷,,其他使用默認設置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模塊,,需要設置DDR芯片廠商,、大小和數(shù)據(jù)位數(shù)等,特別指出的是,,要設置獨立的兩條PLB總線和PPC連接,,作為PPC的指令和數(shù)據(jù)總線。MAC單元需要加入XPS_LL_TEMAC模塊來控制,,本設計需要設置PHY 類型為GMII(千兆以太網(wǎng)),,同時要指定物理地址和收發(fā)FIFO大小。FLASH單元需要加入xps_mch_emc模塊,,同時設置FLASH類型和讀寫時間,。為了方便調(diào)試,還需要加入串口控制臺模塊,,本設計使用的是UartLite模塊,,設置需要的波特率和校驗類型。特別注意的是,,系統(tǒng)還需要時鐘管理模塊(DCM),,提供各個模塊需要的不同時鐘,還要設置一段FPGA內(nèi)部RAM區(qū)域,,放置PPC的.boot文件,。外部這些模塊都通過PLB總線和PPC通信,需要統(tǒng)一編址,,一般把DDR 內(nèi)存空間地址分配到0x0開始,,整個系統(tǒng)的構建如圖3所示。
本設計,除了在 EDK中搭建了操作系統(tǒng)必須的各種模塊后,,還需要在ISE中編寫各個時序電路程序,,因此把 EDK中編寫好的工程作為一個模塊,,加入到ISE中,,然后統(tǒng)一編譯,這樣生成了我們需要的完整功能的程序,。特別指出的是,,PPC405數(shù)據(jù)地址采用的是大端模式,接入到ISE中時,,需要把數(shù)據(jù)顛倒位置,,如DATA[0:31]變?yōu)镈ATA[31:0],才能正常讀寫,。
Linux操作系統(tǒng)的加載與燒寫
加載Linux操作系統(tǒng)需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內(nèi)核,。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關硬件的驅(qū)動源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑,,然后在軟件平臺設置中選擇Dts模式,,編譯更新升級包,生成.dts配置文件,。Dts文件包含了所有模塊地址分配,,中斷以及驅(qū)動信息,把他加入到Linux 內(nèi)核中,,然后配置內(nèi)核選項選擇對應的處理器架構,、所選硬件的驅(qū)動模塊以及需要的其他內(nèi)核模塊,之后再對完成配置的內(nèi)核進行編譯,,生成Linux 的內(nèi)核image 文件,。生成內(nèi)核image 文件之后,還需要生成系統(tǒng)運行所需要的根文件系統(tǒng),。根文件系統(tǒng)中包含了嵌入式Linux系統(tǒng)的所有應用程序,、庫以及系統(tǒng)配置等相關文件。根文件系統(tǒng)中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構造,。構造完成之后,,在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統(tǒng)的目錄樹,并添加相關設備文件和配置文件以及系統(tǒng)運行時需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統(tǒng),,ramdisk.image,。把他拷貝到內(nèi)核中的../arch/powerpc/boot目錄下,在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt,,生成最終的系統(tǒng)文件,。需要指出的是,在編譯linux內(nèi)核時,需要設置好交叉編譯環(huán)境:首先安裝ELDK編譯軟件,,然后在編輯自己的帳戶目錄下的 .bashrc (例如:/home/ppc/) 中加入下面內(nèi)容:
CROSS_COMPILE=ppc_4xx
$PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH
保存,,然后執(zhí)行$source .bashrc
把生成的zlmage.initrd 文件通過 EDK 軟件下的XMD調(diào)試窗口,使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中,,然后運行 run命令,,就正常啟動Linux了。
程序下載到 DDR中,,掉電后,,數(shù)據(jù)就丟失了,不能保存和連續(xù)使用,,因此要把操作系統(tǒng)燒寫到FLASH,,上電后讓它能自動運行,掉電后也不會丟失,。EDK提供了專門的FLASH 燒寫工具Program Flash Memory,,首先要把zlmage.initrd文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件,需要在EDK Shell下運行下面命令:
$powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec
第一次燒寫FLASH時需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上,,讓系統(tǒng)自動生成Bootlooder程序,。操作系統(tǒng)燒寫到Flash中后,需要FPGA在上電后自動從FLASH讀取操作系統(tǒng)數(shù)據(jù),,然后自動運行,,這幾需要把剛剛生成的bootloadr_0工程中的.elf加入到.bit生成新的配置文件,使用EDK下的Updata Bitstream命令就能實現(xiàn),。最后把生成的.mcs文件燒寫到FPGA PROM中,,上電后,系統(tǒng)就能自動運行了,。
設計結果與分析
在Linux系統(tǒng)正常加載后,,我們設計一個程序,它通過以太網(wǎng),,從上位機獲得數(shù)據(jù),,存入FPGA內(nèi)部BlockRam中,再在ISE中編寫程序,,把獲得的數(shù)據(jù)取出,,產(chǎn)生頻率可變的波形發(fā)生器,并回傳發(fā)送的參數(shù)給上位機,。
通過實驗證明,,在FPGA加入操作系統(tǒng)后,能輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā),,并通過FPGA自身的邏輯,,產(chǎn)生我們需要的各種控制信號,,做到了系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和各個功能的并行處理,發(fā)揮了操作系統(tǒng)和FPGA各自的優(yōu)勢,。但是也發(fā)現(xiàn),,F(xiàn)PGA下操作系統(tǒng)運行的頻率不高,最多600MHz,,中斷響應間隔較長,,大約3ms左右,系統(tǒng)上電啟動時間較長,,大約40s左右,,這些都需要在今后設計中進一步完善和提升,。
結語
本文介紹了基于FPGA的嵌入式Linux設計流程,,從硬件設計到Linux系統(tǒng)加載,再到應用程序運行整個過程,,從中可以看出,,該設計既發(fā)揮了FPGA并行處理和多時序控制上的優(yōu)勢,也發(fā)揮了嵌入式Linux系統(tǒng)調(diào)度和可裁剪性方面的優(yōu)勢,,還提高了這個系統(tǒng)的穩(wěn)定行,,也減少了FPGA 與外部高速總線連接的資源開銷,二者的結合, 既滿足了嵌入式應用按需定制,、量體裁衣的需求, 又能開發(fā)出穩(wěn)定而功能強大的嵌入式系統(tǒng),,在現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有很好的運用。