基于FPGA的嵌入式Linux操作系统解决方案

FPGA是通过逻辑组合电路来实现各种功能的器件。由于FPGA内部集成了大量的逻辑资源和可配置的I/O引脚，加上独特的并行处理架构，可以轻松实现同时对多个外部设备的配置和管理，以及内外各种接口数据的传输。现在开发厂商又在FPGA内部加入了大量的DSP和Block RAM资源，非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用，因此在这些领域取得了广泛的应用。但是由于FPGA程序编写的灵活性和功能的多样性，使得它在一个复杂工程中对各个程序的使用调度、统筹管理上有很大的局限性，这样就必须引入操作系统进行统一的管理。Linux系统则因为其良好的可裁减、可配置等特点在嵌入式领域应用广泛。
Linux操作系统提供了许多系统级的应用，例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等，同时Linux是一个成熟的开源操作系统，有丰富的应用资源，利用这些资源和强大的系统功能，用户可以快速地开发基于嵌入式环境复杂系统。因此，结合FPGA和Linux双方优势，可以很好地满足嵌入式系统设计需求，量体裁衣，去除冗余。本文给出了一种基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系统解决方案。

基于FPGA的嵌入式系统的硬件设计

本设计是基于Xilinx XC4VFX40系列FPGA，它内部集成了两个PowerPC405处理器，4个10/100/1000M以太网MAC模块，运行频率300MHz时，具有420D-MIPS性能，能解决高速网络数据传输问题，并且能解决通过网络加载操作系统和交叉编译等问题。它内部有448个可配置I/O口，2592kb BlockRAM，能实现对各种外部设备的并行控制以及较多数据的存储与处理。加载一个操作系统，一般需要几十兆的内存空间，FPGA内部自带的RAM空间是远远不够的，本设计在板上扩展了两片MICRON公司的256Mb DDR内存，作为上电时操作系统的加载和运行空间。现在主流的嵌入式操作系统，都需要搭建交叉编译环境，把在主机上编写好的可执行文件下载到目标板上，这就需要实现网络数据的传输。由于XC4VFX40自带了以太网MAC模块，只需要在外面添加个PHY芯片和带隔离器的RJ45接口就能实现这个功能。

本设计由于对网络数据实时性要求很高，因此采用Marvell公司的千兆以太网PHY芯片88E1111-RCJ。它能根据自身配置和主机设计，实现10/100/1000M自适应传输，并且Linux本身对这个芯片提供了驱动支持，实现无缝链接。操作系统加载到DDR中能快速有效的运行，但是掉电就会丢失，因此必须加入FLASH芯片，把系统文件存储到外部FLASH中。加电时，FPGA把操作系统文件从FLASH读入到DDR中运行。FPGA设计当然会扩展很多接口出来，利用自身并行处理的优势，控制很多外围设备，本设计也不例外，扩展了8个通用的GPIO，2个PS/2接口，1个USB接口，1个AC97声卡接口，1个HotLink接口，以及4个RS422接口，同时扩展了两个CPCI接口，引出了16位数据地址线和Ethernet控制线，整个系统的硬件框图如图1所示。

在进行电路设计时，是以FPGA为核心，向外扩展各种设备，因此特别注意了FPGA各个引脚的连接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V电压，因此和DDR、PHY芯片连接引脚所在的BANK需要提供+2.5V电压参考，并且不能接以LVTTL或LVCMOS为电压参考的引脚。重要快速的时钟信号必须接到全局时钟引脚上。由于FPGA需要通过外部FLASH启动操作系统，需要并行配置，以减少加载时间，配置电路如图2所示。在DDR布线时，数据和地址线需要走等长线，数据线之间不能相差10Mil，地址线要控制在20Mil以内，时钟也需要走差分等长线，长度应大于地址线，DDR各个信号还需要47Ω的并行端接，改善信号质量。千兆PHY输出MDI信号也需要在顶层做差分等长，不然在进行1000M数据传输时很可能不稳定。DDR和PHY需要完整的电源回路做参考，电源层划分时也要特别注意，其他电路做常规处理就可以了。

 

EDK和ISE软件设计

首先需要调用Xilinx提供的EDK软件，对各个模块加入必要的IPCORE，以便操作系统能正常调用这些器件的驱动操作他们。
本设计采用的是EDK10.1.2版本，PPC方面选用ppc405内核，频率设定在300MHz，同时需要添加中断输入引脚，以便响应以太网、串口等外部中断，其他使用默认设置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模块，需要设置DDR芯片厂商、大小和数据位数等，特别指出的是，要设置独立的两条PLB总线和PPC连接，作为PPC的指令和数据总线。MAC单元需要加入XPS_LL_TEMAC模块来控制，本设计需要设置PHY 类型为GMII(千兆以太网)，同时要指定物理地址和收发FIFO大小。FLASH单元需要加入xps_mch_emc模块，同时设置FLASH类型和读写时间。为了方便调试，还需要加入串口控制台模块，本设计使用的是UartLite模块，设置需要的波特率和校验类型。特别注意的是，系统还需要时钟管理模块(DCM)，提供各个模块需要的不同时钟，还要设置一段FPGA内部RAM区域，放置PPC的.boot文件。外部这些模块都通过PLB总线和PPC通信，需要统一编址，一般把DDR 内存空间地址分配到0x0开始，整个系统的构建如图3所示。

本设计，除了在EDK中搭建了操作系统必须的各种模块后，还需要在ISE中编写各个时序电路程序，因此把EDK中编写好的工程作为一个模块，加入到ISE中，然后统一编译，这样生成了我们需要的完整功能的程序。特别指出的是，PPC405数据地址采用的是大端模式，接入到ISE中时，需要把数据颠倒位置，如DATA[0：31]变为DATA[31：0]，才能正常读写。

Linux操作系统的加载与烧写

加载Linux操作系统需要利用EDK软件提供的板级升级包(BSP)配置内核。BSP包含了所选定处理器架构的属性文件以及相关硬件的驱动源文件。

首先要在EDK Project Option中Project Peripheral Respository选项下设置Xilinx提供的gen-mhs-devtree/edk_lib库路径，然后在软件平台设置中选择Dts模式，编译更新升级包，生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模块地址分配，中断以及驱动信息，把他加入到Linux内核中，然后配置内核选项选择对应的处理器架构、所选硬件的驱动模块以及需要的其他内核模块，之后再对完成配置的内核进行编译，生成Linux的内核image文件。生成内核image文件之后，还需要生成系统运行所需要的根文件系统。根文件系统中包含了嵌入式Linux系统的所有应用程序、库以及系统配置等相关文件。

根文件系统中常用的程序和命令可利用开源软件Busybox构造。构造完成之后，在Busybox生成的目录和文件的基础上再构造根文件系统的目录树，并添加相关设备文件和配置文件以及系统运行时需要的脚本文件，从而形成最终的根文件系统，ramdisk.image。把他拷贝到内核中的../arch/powerpc/boot目录下，在linux2.6.x根目录下运行make zlmage. initrt，生成最终的系统文件。需要指出的是，在编译linux内核时，需要设置好交叉编译环境：首先安装ELDK编译软件，然后在编辑自己的帐户目录下的.bashrc(例如：/home/ppc/)中加入下面内容：
CROSS_COMPILE=ppc_4xx     $PATH=$PATH：/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin：/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH     保存，然后执行$source .bashrc     把生成的zlmage.initrd文件通过EDK软件下的XMD调试窗口，使用dow zlmage.initrd命令下载到DDR中，然后运行run命令，就正常启动Linux了。
程序下载到DDR中，掉电后，数据就丢失了，不能保存和连续使用，因此要把操作系统烧写到FLASH，上电后让它能自动运行，掉电后也不会丢失。EDK提供了专门的FLASH 烧写工具Program Flash Memory，首先要把zlmage.initrd文件转换为FLASH能识别的.SREC文件，需要在EDK Shell下运行下面命令：
$powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec
第一次烧写FLASH时需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application勾上，让系统自动生成Bootlooder程序。操作系统烧写到Flash中后，需要FPGA在上电后自动从FLASH读取操作系统数据，然后自动运行，这几需要把刚刚生成的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命令就能实现。最后把生成的.mcs文件烧写到FPGA PROM中，上电后，系统就能自动运行了。

设计结果与分析

在Linux系统正常加载后，我们设计一个程序，它通过以太网，从上位机获得数据，存入FPGA内部BlockRam中，再在ISE中编写程序，把获得的数据取出，产生频率可变的波形发生器，并回传发送的参数给上位机。
通过实验证明，在FPGA加入操作系统后，能轻松实现网络数据的收发，并通过FPGA自身的逻辑，产生我们需要的各种控制信号，做到了系统的统一调度和各个功能的并行处理，发挥了操作系统和FPGA各自的优势。但是也发现，FPGA下操作系统运行的频率不高，最多600MHz，中断响应间隔较长，大约3ms左右，系统上电启动时间较长，大约40s左右，这些都需要在今后设计中进一步完善和提升。

结语

本文介绍了基于FPGA的嵌入式Linux设计流程，从硬件设计到Linux系统加载，再到应用程序运行整个过程，从中可以看出，该设计既发挥了FPGA并行处理和多时序控制上的优势，也发挥了嵌入式Linux系统调度和可裁剪性方面的优势，还提高了这个系统的稳定行，也减少了FPGA与外部高速总线连接的资源开销，二者的结合，既满足了嵌入式应用按需定制、量体裁衣的需求，又能开发出稳定而功能强大的嵌入式系统，在现在嵌入式系统开发中有很好的运用。