MicroBlaze处理器的PetaLinux操作系统移植_薛慧敏

　ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ（投稿专用）　２０１１年第４期

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ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器的ＰｅｔａＬｉｎｕｘ操作系统移植

薛慧敏，武传华，路后兵

（合肥电子工程学院，合肥２３００３７

）引　言

随着ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ，现场可编程门阵列）技术的迅速发展，ＳＯＰＣ（Ｓｙｓｔｅｍ　Ｏｎ　ａ　Ｐｒｏ－ｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｃｈｉｐ，可编程片上系统）作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，已逐渐成为一个新兴的技术方向。ＳＯＰＣ融合了ＳｏＣ和ＦＰＧＡ各自的优点，并具备软硬件在系统可编程、可裁减、可扩充、可升级的功能。其核心是在ＦＰＧＡ上实现的嵌入式微处理器核，而如何针对特定的微处理器选择合适的嵌入式操作系统是ＳＯＰＣ开发的难点之一。本文针对Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ软核，

介绍了ＰｅｔａＬｉｎｕｘ嵌入式操作系统及其移植方法，研究了Ｐｅｔａ－Ｌｉｎｕｘ的相关配置和启动方案。

１　基于Ｍ

ｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器的系统设计１．１　Ｍ

ｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器简介ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ软核处理器是一种针对Ｘｉｌｉｎｘ　

ＦＰＧＡ器件而优化的功能强大的微处理器。它内部采用ＲＩＳＣ架构的３２位指令和数据总线，支持ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｃｔ片上总线的标准外设计集合，具有兼容性和重复利用性，且可根据性能需求和逻辑区域成本任意裁减，极大地扩展了应用范围，其最精简的核只需要将近４００个Ｓｌｉｃｅ

。ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ的ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｃｔ总线、它能够将ＦＰＧＡ内各种不同的ＩＰ核连接到一起构成一个完整的系统。ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｃｔ总线是一个总线标准的集合，它包括ＰＬＢ总

线（Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｌｏｃａｌ　Ｂｕｓ，处理器本地总线），ＬＭＢ总线（Ｌｏｃａｌ　Ｍｅｍｏｒｙ　

Ｂｕｓ，高速本地存储器总线），ＦＳＬ（ＦａｓｔＳｉｍｐ

ｌｅｘ　Ｌｉｎｋ，快速单连接）总线，以及ＸＣＬ（Ｘｉｌｉｎｘ　Ｃａｃｈ－ｅＬｉｎｋ

）总线等［１］

。１．２　系统结构和外部设备概述

本系统主要是在Ｖｉｒｔｅｘ－４开发板上构建一个以

ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器为中心的嵌入式信号处理系统，在ＦＰＧＡ

内部实现系统的总线架构、数据存储、地址译码、外设接口等系统部件和功能。各功能部件在ＦＰＧＡ内部都以ＩＰ核的形式构建并连接，整个系统的结构框图如图１所示。

其中，ＳｙｓＡＣＥ用于存放文件系统和应用程序配置文件，ＩＮＴＣ用来实现中断控制；ＧＰＩＯ和ＵＡＲＴ　

１６５５０用于系统调试，自定义ＩＰ核ＤＤＣ用来实现数字接收机下变频功能，这些外设通过ＰＬＢ总线与ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器和ＤＤＲ相连；用于快速傅里叶变换的自定义ＩＰ核ＦＦＴ通过ＦＳＬ总线与ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ内部通用寄存器直接相连，实现了数据的快速传输；ＤＤＲ通过ＸＣＬ总线与ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器相连，实现了ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器对片外存储器的高速访问。

１．３　嵌入式操作系统的选择

选用ＰｅｔａＬｉｎｕｘ嵌入式操作系统。它是ＰｅｔａＬｏｇｉｘ公司专门针对ＦＰＧＡ的片上系统设计的嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发套件，在满足应用工程的逻辑编程能力和对嵌入式Ｌｉｎｕｘ要求的同时，可极大地缩短产品开发周期。ＰｅｔａＬｉｎｕｘ作为专门针对于Ｘｉｌｉｎｘ　ＦＰＧＡ的嵌入式Ｌｉｎｕｘ解决方案，不但提供了专门的ＢＳＰ生成器，而且提供了众多的参考设计，可以帮助设计者快速掌握ＰｅｔａＬｉｎｕｘ的配置方法。ＰｅｔａＬｉｎｕｘ内核正在不断的完善之中，且不断地加入基于Ｘｉｌｉｎｘ　ＦＰＧＡ嵌入式系统ＩＰ核的设备驱动，比如ＸｉｌｉｎｘＵＳＢ、ＳｙｓＡＣＥ、ＦＳＬ总线设备驱动、１０／１００／１０００Ｍ三态以太网ＭＡＣ等。这些设备驱动极大地减轻了嵌入式系统开发者的工作量，

缩短了产品开发的周期。图１　系统结构框图

２　Ｐ

ｅｔａＬｉｎｕｘ系统移植在ＳＯＰＣ硬件系统构建完成后，就要针对此结构配置操作系统内核，下面介绍具体步骤。

２．１　建立交叉编译环境

嵌入式系统开发一般采用交叉编译的方法，即在宿主机上对内核和应用程序进行编译，生成目标机处理器可执

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Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０１１年第４期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　

行的二进制位流文件，将此文件下载到目标机运行。Ｐｅｔａ－Ｌｉｎｕｘ针对ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ处理器建立了交叉编译器，

运行ｓｏｕｒｃｅ．／ｓｅｔｔｉｎｇ

ｓ．ｓｈ脚本，系统会自动建立交叉环境。２．２　建立硬件平台

ＰｅｔａＬｉｎｕｘ为每个应用工程建立一个文件夹，里面保存该工程的硬件配置。在移植ＰｅｔａＬｉｎｕｘ时，只需选择相应的硬件平台，内核就会读取该工程文件夹下的配置文件。使用ＰｅｔａＬｉｎｕｘ－ｎｅｗ－ｐｌａｔｆｏｒｍ命令建立硬件平台，如果使用ＭＭＵ（虚拟内存管理单元），则在此命令后添加－ｍ

选项。硬件平台建立起来后，运行ｍａｋｅ　ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ命令，在Ｖｅｎｄｏｒ／Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｓｅｌｃｔｉｏｎ选项中，选择该硬件平台。另外，还需将在ＥＤＫ下生成的配置文件转换成Ｌｉｎｕｘ操作系统可以识别的格式。在工程文件夹下运行

ＰｅｔａＬｉｎｕｘ－ｃｏｐｙ－ａｕｔｏｃｏｎｆｉｇ命令，自动完成格式转换，并拷贝配置文件到已选择的工程文件夹下。

２．３　添加自定义设备驱动

本系统自定义了ＩＰ核，因此必须开发驱动程序并将其添加到ＰｅｔａＬｉｎｕｘ配置中。添加自定义设备驱动主要步骤如下：

①在平台配置目录下Ｍ

ａｋｅｆｉｌｅ文件中添加语句ｐｌａｔｏｂｊ－＄（ＣＯＮＦＩＧ＿ＰＥＴＡＬＯＧＩＸ＿ＤＤＣ）＋＝ｄｄｃ．ｏ和＄（ｏｂｊ）／ｄｄｃ．ｏ：．ｃｏｎｆｉｇ使设备初始化函数ｄｄｃ．ｃ与内核配置相关联；

②在驱动程序所在目录下的Ｍ

ａｋｅｆｉｌｅ文件中添加ｏｂｊ－＄（ＣＯＮＦＩＧ＿ＰＥＴＡＬＯＧＩＸ＿ＤＤＣ）＋＝ｄｄｃ＿ａｄａｐ

ｔｅｒ．ｏ使设备驱动程序ｄｄｃ＿ａｄａｐｔｅｒ．ｃ与内核配置相关联；③修改设备驱动程序所在目录下的Ｋｃｏｎｆｉｇ文件，

使配置内核时可以选择该设备驱动，并添加以下语句：

ｃｏｎｆｉｇ　ＰＥＴＡＬＯＧＩＸ＿ＤＤＣ／／内核配置目录中所显示的选项

ｂｏｏｌ"ＰｅｔａＬｏｇ

ｉｘ　ＤＤＣ　Ｄｒｉｖｅｒ"／／该配置选项为布尔型，有选择和不选择两种状态

ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ＭＩＣＲＯＢＬＡＺＥ／／该配置选项的依赖关系－－－ｈｅｌｐ

－－－／／该配置选择的注解

通过以上文件的修改，就可以在配置ＰｅｔａＬｉｎｕｘ内核时选择自定义的设备驱动。

２．４　配置Ｐ

ｅｔａＬｉｎｕｘ内核由于Ｌｉｎｕｘ内核的可裁减性，能够方便地对内核进行修改、裁减、编译，最终移植到一个嵌入式系统中。运行图形编辑工具ｍａｋｅ　ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ命令，对内核和系统环境进行配置。

在内核配置的设备驱动选项中，一定要选择与系统硬件配置一致的硬件设备驱动，否则内核编译时就会出错。针对本系统的硬件配置，主要配置以下几项驱动：

①［Ｂｌｏｃｋ　ｄｅｖｉｃｅｓ］块设备。选择Ｘｉｌｉｎｘ　Ｓｙ

ｓｔｅｍＡＣＥｓｕｐｐ

ｏｒｔ。②［Ｍｉｓｃ　ｄｅｖｉｃｅ］混杂设备。选择ＦＳＬ　ＦＩＦＯ　ｄｒｉｖｅｒ，然后进入ＦＳＬ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，选择ＦＩＦＯ　ｏｎ　ＦＳＬ０，并选择自添加设备驱动ＰｅｔａＬｏｇｉｘ　ＤＤＣ１０１Ｄｒｉｖｅｒ。③［Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｕｐｐ

ｏｒｔ］网络设备。选择Ｅｔｈｅｒ－ｎｅｔ（１０００Ｍｂｉｔ）子菜单中的Ｘｉｌｉｎｘ　１０／１００／１０００ＬＬＴＥＭＡＣ　ｓｕｐｐ

ｏｒｔ。④［Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ］字符设备。选择Ｓｅｒｉａｌ　ｄｒｉｖｅｒｓ子菜单中的８２５０／１６５５０ａｎｄ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ和Ｃｏｎｓｏｌｅ　ｏｎ　８２５０／１６５５０ａｎｄ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｐ

ｏｒｔ。文件系统选项中，默认选择了ｅｘｔ２、ｒｏｍｆｓ和ｃｒａｍｆｓ文件系统，其他文件系统可以根据需要自行选择。本系统需要挂载ＤＯＳ文件系统的ＣＦ卡，因此进行以下配置：①［ＤＯＳ／ＦＡＴ／ＮＴ　Ｆｉｌｅｓｙｓｔｅｍｓ］。选择ＭＳＤＯＳ　ｆｓｓｕｐｐ

ｏｒｔ。②［Ｎａｔｉｖｅ　Ｌａｎｇｕａｇｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔ］。选择Ｃｏｄｅｐａｇｅ　４３７（Ｕｎｉｔｅｄ　

Ｓｔａｔｅｓ，Ｃａｎａｄａ）。内核配置中的其他配置可以根据目标系统的不同灵活配置，配置完成后保存退出，自动进入系统环境配置菜单。系统环境配置是对ＰｅｔａＬｉｎｕｘ的属性、命令进行配置，主要有以下几个选项：

①［Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｅｔｔｉｎｇ

ｓ］系统设置。配置系统的网络地址、默认用户名、默认登陆密码和所用根文件系统等内容。②［Ｃｏｒｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ］内核应用。主要配置内核的常用特性。

③［Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｐｐ

ｌｉｃａｔｉｏｎｓ］网络应用。配置网络应用时的相关命令。

④［Ｍｉｓｃｅｌｌａｎｅｏｕｓ　Ａｐｐ

ｌｉｃａｔｉｏｎｓ］混杂应用。配置系统内核中的命令。

⑤［Ｂｕｓｙ

Ｂｏｘ］。配置系统内核中的命令。ＰｅｔａＬｉｎｕｘ已经设置好了编译规则，因此配置完成后，依次执行命令ｍａｋｅ　ｄｅｐ

、ｍａｋｅ　ｃｌｅａｎ、ｍａｋｅ　ａｌｌ，建立文件依赖关系，清除旧的文件，编译内核，生成内核ｉｍａｇ

ｅ。３　Ｐ

ｅｔａＬｉｎｕｘ启动方案经过编译的ＰｅｔａＬｉｎｕｘ内核ｉｍａｇｅ文件主要有ｉｍ－ａｇｅ．ｂｉｎ、ｉｍａｇｅ．ｅｌｆ、ｉｍａｇｅ．ｕｂ。根据选择ｉｍａｇ

ｅ文件的不同，ＰｅｔａＬｉｎｕｘ有４种启动方案：ＸＭＤ下载启动、ＴＦＴＰ网络下载启动、Ｆｌａｓｈ启动和ＳｙｓＡＣＥ　ＣＦ卡启动。其中，ＸＭＤ和ＴＦＴＰ网络下载启动方案，在每次系统上电后都必须重新下载，适用于系统调试；Ｆｌａｓｈ启动方案在系统上电后自动从Ｆｌａｓｈ中读取配置文件，但Ｆｌａｓｈ烧写速度较慢，更改系统配置较为不便。因此，本系统选用ＳｙｓＡＣＥＣＦ卡启动方案。

使用Ｓｙ

ｓＡＣＥ　ＣＦ卡启动ＰｅｔａＬｉｎｕｘ，先将硬件比特流