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丁欣如

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采用nios和μClinux实现嵌入式系统设计

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成，其发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。

随着芯片制造技术的发展，嵌入式系统的结构也随之发生了重大变革，从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统，继而将可编程逻辑pld(programmable logic device)技术引入到嵌入式系统设计中，进而又发展到soc(system on chip)，最终将pld与嵌入式处理器结合而成为sopc(system on programmable chip)，使得sopc成为嵌入式系统设计的一个发展趋势。
   
本文采用sopc内嵌32位的软核处理器nios，实现了一个uart串行口和以太网接口的转换器(以下简称转换器)，并基于microtronix公司针对nios处理器移植的μclinux开发了应用程序．其系统结构如图l所示。



1 基于sopc的嵌入式硬件平台构建
   
不同于基于处理器或控制器及soc的嵌入式系统，基于sopc的嵌入式系统具有可配置的特点，不会包括任何专用外设，而是可根据需要灵活地在一片FPGA中构造外设接口。
   
基于sopc的嵌入式系统主要由1片核心芯片sopc和片外器件，以及一些相关的接口设备组成。本文所要实现的转换器采用altera公司的cyclone芯片及外围电路组成，其中外围电路包括2片512 kb的sram、l片8mb的flash、uart电子转换器和1片以太网控制器lan91c111。

系统电路框图如图2所示。



sopc芯片内嵌软核处理器nios。在sopc芯片中，除了cpu外，可配片上rom、内部定时器、uart串行口、sram、flash接口等系统部件。这些部件均以可编程逻辑部件的形式实现，芯片内部部件结构图如图3所示。cpu和所有部件通过avalon总线连接在一起。



sopc芯片内系统模块和avalon总线模块均由soPCBuilder工具自动生成，利用qualtus ii集成开发环境可实现芯片内的逻辑设计及其引脚定义。经编译生成后缀为.sof的硬件映像文件，通过byteblasterii线缆下载到目标板的cyclone芯片中，或将.sof文件转换成.flash文件，下载到目标板的flash中。这样就完成了转换器的硬件设计。

2 基于μclinux的sopc应用程序开发
  
应用程序的开发可在硬件平台上直接进行，但需了解所有硬件部件的细节，并编写相应的驱动子程序，其软件设计难度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操作系统的应用程序，其所有的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件进行直接控制的底层驱动程序均封装在操作系统内，通过设备驱动程序接口来完成，用户只需在高层通过操作系统所提供的系统调用进行编程。μclinux是针对控制领域的嵌入式linux操作系统，适合如nios处理器等不具备内存管理单元(mmu)的微处理器／微控制器。基于操作系统进行开发，需将操作系统加载到硬件平台中，μclinux可以以部件的形式集成到sopc系统中。

2.1 加载μclinux系统的步骤
   
将μclinux加载到sopc目标板上时需提供一个交叉编译环境，硬件要求具有一个串口的pc工作站、基于nios处理器的sopc目标板和byteblastermv线缆等。软件需求windowsntv4.0、windows2000或windowsxp、altera nios开发包ndk 3.0中所提供的nios gnupro工具、ahera nios开发包所提供的cygwin安装，以及quartus ii可编程逻辑开发工具v2.2等。

2.1.1 创建和装载内核映像  
   
创建和装载μclinux映像文件在linux developerbash环境下进行，首先需按下列步骤配置和构建内核。

[linux developer]…μclinux／：cd linux
   
[linux developer]…linux／：make xconfig
   
[linux developer]…linux／：make clean
   
[linux developer]…1inux／：make dep
   
[linux developer]…linux／：make
   
[linux developer]…μclinux／：make linux.flash
           
生成的linux.flash文件即为μclinux内核映像。当sopc目标板加电，片内rom中的germs监控程序运行后，在[linux developer]…μclinux／：下键入nios-runlinux.flash，即下载linux.flash文件到目标板上，完成内核映像的加载。

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