基于FPGA的RTEMS嵌入式開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)

【摘要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式科技得到更為廣泛的應(yīng)用，其中FPGA和嵌入式操作系統(tǒng)的組合前景良好，它們的應(yīng)用極大的改變了嵌入式開發(fā)的效率。為使得Nios II軟核和RTEMS嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，首先介紹了Nios II的軟件開發(fā)環(huán)境，然后詳細(xì)闡述如何在Nios II平臺下搭建RTEMS嵌入式開發(fā)環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；Nios2；RTEMS

1.引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式技術(shù)逐漸成為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要分支。由于嵌入式產(chǎn)品所運(yùn)用場合多種多樣，不同應(yīng)用場景對嵌入式實(shí)時(shí)響應(yīng)、成本都有著不同的需求。嵌入式開發(fā)涉及硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件開發(fā)包括板級開發(fā)；而軟件開發(fā)則需要在硬件開發(fā)完成后才能開始，且與硬件有著緊密的關(guān)系。但FPGA的出現(xiàn)將徹底改變傳統(tǒng)嵌入式開發(fā)模式，使得嵌入式開發(fā)工程師可以像PC端軟件開發(fā)一樣開發(fā)嵌入式軟件，降低嵌入式開發(fā)的成本。

RTEMS（Real-Time Executive for Multiprocessor Systems）是一個(gè)開放源代碼的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，對各類主流的嵌入式平臺都有良好的支持，同時(shí)其也有著良好的開發(fā)軟件。目前無論是航空航天、軍工，還是民用領(lǐng)域RTEMS都有著極為廣泛的應(yīng)用[1]。

Nios II由美國Altera公司推出的基于Nios的第二代32位RISC軟核，基于FPGA平臺，其性能可達(dá)200MIPS，是一款可定制的高性能嵌入式軟核，配合Altera官方提供的開發(fā)者套件，嵌入式工程師可以快捷、高效的進(jìn)行硬件、軟件的開發(fā)。

2.基于Nios II的SOPC開發(fā)環(huán)境

2.1 Altera SOPC Builder

SOPC Builder是一個(gè)全自動(dòng)的SOPC硬件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以通過Altera提供的IP宏選擇適合自己應(yīng)用的外圍功能模塊，并進(jìn)行內(nèi)存基地址的分配、中斷請求線和內(nèi)部總線的適配。與此同時(shí)，還可以通過HDL文件來自定義外設(shè)模塊[2]，比如DM9000A以太網(wǎng)控制器。SOPC Builder使得可以在短暫的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)完整的硬件開發(fā)系統(tǒng)。

2.2 SOPC硬件系統(tǒng)

通過Altera提供的Quartus II和SOPC Builder可以快速自定應(yīng)硬件系統(tǒng)，圖1是針對Altera颶風(fēng)III代EP3C16Q器件定制的硬件系統(tǒng)nios2rtems示例圖。

硬件系統(tǒng)nios2rtems采用Nios II快速型軟核，為加快其運(yùn)行速率，系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHz，外圍模塊有jtag-uart、sdram、epcs flash、interval timer等，使用Avalon總線作為數(shù)據(jù)及控制總線。

2.3 SOPC軟件系統(tǒng)

通過使用Nios II IDE添加軟件工程，編譯即可生成與硬件相關(guān)聯(lián)的描述性文件，其中最為重要的是system.h文件以及HAL驅(qū)動(dòng)。system.h文件提供nios2rtems硬件的描述，包含各個(gè)模塊的基址、模塊所使用的中斷號和中斷優(yōu)先級及外設(shè)模塊的符號名[3]。它同SOPC Builder提供的各個(gè)外設(shè)模塊的寄存器描述構(gòu)成了HAL庫的基礎(chǔ)，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)開發(fā)的基礎(chǔ)。而HAL作為硬件抽象層，通過函數(shù)封裝為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的調(diào)用API接口[4]。

3.RTEMS開發(fā)環(huán)境搭建

3.1 Nios II交叉編譯工具

有兩種方式完成交叉編譯工具的安裝，其一是通過官方提供的定制腳本來安裝；其二就是通過獲得各個(gè)組件的源代碼、補(bǔ)丁來手動(dòng)編譯安裝。由于手動(dòng)編譯安裝可能由于某個(gè)版本的錯(cuò)誤選擇而使得編譯失敗，這里我們采用定制腳本來進(jìn)行安裝。

3.1.1 設(shè)置

為獲得支持Nios II平臺的嵌入式開發(fā)環(huán)境，需要準(zhǔn)備工具包的源碼和定制腳本，以及工程目錄。

首先，為nios2rtems設(shè)置工作目錄：

mkdir-p nios2rtems/rtems/src

然后，獲得RTEMS源碼構(gòu)建套件，其大部分是由python所寫的腳本文件。由于托管在git倉庫，所以必須有g(shù)it工具并通過下面代碼獲得工具套件源碼：

$ git clone git：//git.rtems.org/rtems-source-builder.git

3.1.2 檢查

RTEMS源碼構(gòu)建套件為檢查編譯環(huán)境是否已經(jīng)就緒提供了相應(yīng)的工具sb-check：

$ source-builder/sb-check

RTEMS Source Builder environment is ok

顯示編譯環(huán)境已經(jīng)準(zhǔn)備就緒

3.1.3 編譯

源碼構(gòu)建套件中提供了若干平臺的支持，在編譯之前可以通過sb-set-builder命令的list-bsets選項(xiàng)查看其支持的平臺。

$ ../source-builder/sb-set-builder--list-bsets

...

4.10/rtems-nios2.bset

4.11/rtems-nios2.bset

...

從輸出結(jié)果可以知道，RTEMS在4.10版本就已經(jīng)支持nios2平臺了，這里我們選擇最新的4.11版本。通過如下命令可以開啟nios2平臺的交叉編譯工具的構(gòu)建：

$ sb-set-builder--log=l-nios2.txt＼

--prefix=$HOME/nios2rtems/rtems/4.11＼

4.11/rtems-sparc

由于構(gòu)建過程中需要對所缺文件進(jìn)行在線的下載，整個(gè)過程可能持續(xù)非常長在$HOME/nios2rtems/rtems/4.11目錄下的bin/文件夾下可以看到已安裝的nios2-rtems4.11-gcc等工具。

3.2 BSP支持包構(gòu)建

3.2.1 RTEMS BSP結(jié)構(gòu)

RTEMS下關(guān)于nios2平臺的主要部分有：第一，CPU相關(guān)，該部分包含和CPU功能相關(guān)的代碼，主要涉及CPU上下文切換以及CPU中斷異常處理等代碼；第二，外設(shè)相關(guān)，該部分包含外設(shè)硬件的寄存器信息等和CPU內(nèi)部功能相關(guān)功能代碼；第三，BSP相關(guān)，該部分包含硬件系統(tǒng)中外設(shè)相關(guān)代碼，例如console、timer以及硬件初始化等[5]。

3.2.2 Nios II BSP構(gòu)建

Nios II的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)較為簡單，對硬件的操作主要涉及對外設(shè)硬件所在地址的讀寫操作[6]。在RTEMS中添加Nios II支持可以分為以下三個(gè)步驟。

首先，構(gòu)建cpu對Nios II支持，主要是提供CPU進(jìn)程上下文切換和中斷異常處理相關(guān)代碼，具體需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）_CPU_Context_switch（）以及_CPU_Context_restore（），函數(shù)主要功能用于保存和恢復(fù)當(dāng)前上下文相關(guān)的寄存器值。

2）_exception_vector（），處理CPU異常函數(shù)，用于檢查硬件當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)異常類型跳轉(zhuǎn)至異常處理服務(wù)程序或者中斷處理程序中。

3）_Exception_Handler（），異常處理服務(wù)程序。

4）_ISR_Handler（），中斷服務(wù)程序。

5）其它輔助函數(shù)，例如中斷注冊、使能及禁止中斷等功能。

其次，添加外設(shè)對Nios II支持，主要是提供與CPU異常等相關(guān)的代碼，具體需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）中斷的管理，包括中斷的注冊、中斷使能以及中斷禁止等功能，這是對cpu的進(jìn)一步封裝（可選）

2）Timer和Clock的等驅(qū)動(dòng)服務(wù)程序。

3）外圍設(shè)備的寄存器相關(guān)信息，都可以在SOPC Builder中找到，例如jtag-uart的寄存器信息可在altera_avalon_jtag_uart_regs.h文件中找到，將所有外設(shè)的寄存器相關(guān)頭文件信息放入c＼src＼lib＼libcpu目錄中。

4）添加其他可能需要的Cache操作相關(guān)代碼。

最后，添加BSP對Nios II支持，該部分以RTEMS中nios2_iss為模板，提供基本的驅(qū)動(dòng)程序，一般包括以下基本內(nèi)容：

1）Clock驅(qū)動(dòng)，Timer驅(qū)動(dòng)，jtag-uart驅(qū)動(dòng)。這一部分代碼涉及對底層硬件的讀寫操作，非常依賴于Nios2eds生成的system.h文件及相關(guān)寄存器頭文件。

2）start.S及bspstart.c，操作系統(tǒng)啟動(dòng)文件。文件start.S包含RTEMS的啟動(dòng)代碼，包括初始化處理器和單板，為之后的C程序運(yùn)行提供?？臻g，使之可以進(jìn)入bspstart.c進(jìn)一步初始化BSP。

3）其他外設(shè)驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，攝像頭驅(qū)動(dòng)等都在此處添加。

3.2.3 編譯下載

準(zhǔn)備好Nios II的BSP之后既可以按照RTEMS官方提供的內(nèi)核編譯流程編譯，之后即可編譯鏈接用戶應(yīng)用程序。通過命令行的nios2-download即可實(shí)現(xiàn)程序下載。

4.結(jié)論

本文首先介紹了如何使用Quartus II、SOPC Builder工具進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，并簡要分析NiosII硬件系統(tǒng)及其軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。接著詳細(xì)講述如何為RTEMS構(gòu)建支持Nios II的板級支持包以及使用Nios2eds進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。全文從底層硬件到上層軟件，詳細(xì)描述了如何為基于NiosII軟核構(gòu)建基于RTEMS的板級支持包。本文同時(shí)給出了基于Nios II軟核的RTEMS移植方法和實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的一般方法。

參考文獻(xiàn)

[1]RTEMS Steering Committee.RTEMS Home Page [J].2010.

[2]鄭建.基于NIOS2軟核CPU的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A].第十三屆全國核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文140集（下冊），2006：30-32.

[3]侯建軍.SOPC技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]蔡偉綱.Nios II軟件架構(gòu)解析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[5]張娟，蘇海冰，蔣和松，王鵬.基于FPGA片上PowerPC的RTEMS移植分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（32）.

[6]訾國偉.基于軟核處理器的嵌入式操作系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

作者簡介：吳華中（1989—），男，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：自動(dòng)化測試與控制技術(shù)。