基于FPGA的嵌入式Linux软硬件设计

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。