基于ZYNQ的便攜式顯控終端設(shè)計與實現(xiàn)

喬雪原

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

顯控終端是各種模擬測試、監(jiān)視控制設(shè)備的重要組成部分。針對實驗室和外場不同環(huán)境使用的靈活性和實時性需求，顯控終端的便攜小型化具有明確的實用價值。

當(dāng)前出現(xiàn)了大量基于ZYNQ處理器的應(yīng)用開發(fā)研究。徐磊詳細(xì)敘述了基于ZYNQ處理器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，采用了Linaro提供的Ubuntu桌面文件系統(tǒng)[1]。王樹青詳細(xì)闡述了基于Petalinux開發(fā)工具的系統(tǒng)移植和部署方法[2]。褚亭強(qiáng)詳細(xì)闡述了基于ZYNQ處理器的高清多媒體接口(HDMI)顯示器實現(xiàn)，以及Linux操作系統(tǒng)的交叉編譯和系統(tǒng)設(shè)備樹的方法[3]。劉樺杰詳細(xì)闡述了基于ZYNQ處理器的USB接口設(shè)計和QT庫的移植[4]。這些研究各有側(cè)重，但均沒有解決系統(tǒng)可維護(hù)性和通用性問題，比如文件系統(tǒng)移植后無法實現(xiàn)動態(tài)裁剪和配置，軟件開發(fā)部署需要經(jīng)過復(fù)雜的交叉編譯等；同時大部分研究基于開發(fā)板完成，未考慮實際工程應(yīng)用場景的需求。

本文提出的顯控終端實現(xiàn)方案采用基于Ubuntu核心的文件系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)維護(hù)問題，同時采用觸摸屏引入虛擬操作界面，實現(xiàn)了設(shè)備控制的無物理按鍵化，降低了設(shè)備故障率，解決了設(shè)備通用性問題。

1 系統(tǒng)組成

從功能實現(xiàn)上，ZYNQ系列芯片可分為Processing System(PS)部分和Programming Logic(PL)部分。PS是基于ARM處理器的處理系統(tǒng)，除了處理單元所包含的定時器、中斷控制器和DMA控制器外，還包括雙倍速率(DDR)存儲器接口、MIO接口以及與PL通信的高速AXI總線接口等；PL則包含有豐富的邏輯資源，如塊隨機(jī)存取存儲器(BRAM)、數(shù)字信號處理(DSP)模塊、外圍組件快速互聯(lián)(PCIE)模塊等。AXI4高速總線可以使PS能夠通過AXI4 GP接口控制PL端的IP核模塊，PL也能夠通過AXI高性能(HP)接口實現(xiàn)和DDR的直接數(shù)據(jù)傳輸，ZYNQ內(nèi)部的高速總線設(shè)計，大大簡化了PS和PL之間的互聯(lián)[5]。

顯控終端的硬件架構(gòu)采用核心處理板加功能子卡的方式實現(xiàn)。核心功能獨立形成核心處理板，特定的應(yīng)用需求通過功能子卡的形式進(jìn)行擴(kuò)展，子卡與核心板的接口形式采用XMC規(guī)范。

核心處理板的設(shè)計原理框圖如圖1所示，設(shè)計以ZYNQ處理器為核心，通過PS和PL擴(kuò)展外部接口。PS端的外設(shè)主要包括系統(tǒng)引導(dǎo)存儲器四線串行外設(shè)接口(QSPI)FLASH、運行操作系統(tǒng)的DDR存儲器、文件系統(tǒng)和用戶空間存儲器嵌入式多媒體卡(eMMC)、調(diào)試TF CARD插槽、熱插拔數(shù)據(jù)交互USB接口、RS232調(diào)試串口、負(fù)責(zé)斷電時間維持的RTC電路、千兆以太網(wǎng)接口等。PL端的外設(shè)主要包括用于時間同步的GPS/北斗授時模塊、數(shù)據(jù)緩存和處理用的DDR存儲器、用于狀態(tài)指示的LED指示燈、用于外部通信和設(shè)備控制的4路RS422接口、用于連接觸控顯示器的HDMI接口以及用于擴(kuò)展功能的XMC連接器接口等。

圖1 顯控終端硬件設(shè)計原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源管理

電源管理是決定硬件平臺是否穩(wěn)定的重要因素，電源設(shè)計必須嚴(yán)格按照處理器手冊上要求的上電時序和下電時序設(shè)計，否則可能引起過電壓或過電流，導(dǎo)致芯片無法正常工作[6]。

顯控終端的電源管理由濾波和短路保護(hù)電路、電壓二次轉(zhuǎn)換電路和電源監(jiān)控電路三部分組成。每個電源輸入端設(shè)計了三端濾波器進(jìn)行電源濾波，并設(shè)計經(jīng)過保險絲以防止電源輸入端出現(xiàn)短路。保險絲的選擇根據(jù)設(shè)計規(guī)范選擇系統(tǒng)穩(wěn)定工作電流值的3～4倍。電壓二次電源主要將輸入的+12 V電壓轉(zhuǎn)換為+1.0 V、+1.5 V、+1.8 V、+2.5 V、+3.3 V電壓，DDR存儲器所需的+0.75 V則由二次電壓+1.5 V轉(zhuǎn)換得到。電源監(jiān)控電路監(jiān)測輸入電壓和電流值，監(jiān)控狀態(tài)可以通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行查詢，同時電壓或電流值超過告警門限，會通過狀態(tài)LED燈進(jìn)行閃爍告警。

觸控顯示器的功耗大約6 W，方案為顯示器設(shè)計了獨立的電源開關(guān)，在不使用時可以斷開顯示器的供電，達(dá)到降低功耗的目的。

2.2 通信接口

ZYNQ處理器集成了以太網(wǎng)媒體介入控制層(MAC)控制器，顯控終端使用Marvell公司的88E1512以太網(wǎng)PHY實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收，外部互聯(lián)采用隔離變壓器HX5120NL進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換就構(gòu)成了10 M/100 M/1 000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)。

RS232、RS422接口用于系統(tǒng)調(diào)試和低速設(shè)備的通信控制。RS232接口采用LVTTL電平，無法直接連接計算機(jī)的串行通訊端口(COM)，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。RS422接口數(shù)據(jù)速率最高4 Mbps，具備同步和異步2種工作模式，通過自定義的PL端邏輯實現(xiàn)，模式選擇可通過PS端軟件進(jìn)行動態(tài)設(shè)置。

2.3 人機(jī)交互接口

終端的人機(jī)交互包括觸摸顯示器、USB接口和TF CARD接口。工作時顯示界面會被應(yīng)用程序界面覆蓋，通過觸摸顯示屏可以完成絕大部分工作。USB接口可以用于問題排查時外接鍵盤鼠標(biāo)，與桌面系統(tǒng)或者控制臺進(jìn)行交互，同時通過USB存儲器實現(xiàn)同系統(tǒng)的文件交換。TF CARD接口主要用于系統(tǒng)SD CARD啟動模式的調(diào)試。

ZYNQ芯片中沒有集成HDMI解碼器，方案使用ADV7511芯片進(jìn)行HDMI視頻數(shù)據(jù)的解碼。ADV7511是一款最高視頻數(shù)據(jù)傳輸速率為225 MHz的HDMI發(fā)送器，用于輸出數(shù)字視頻信號至具有HDMI接口的顯示器，其數(shù)字視頻接口標(biāo)準(zhǔn)為HDMI1.4并同時兼容DVI1.0發(fā)送器，支持所有高清電視格式(包括12位深色1 080p)[7]。

ADV7511與PS端的接口互聯(lián)邏輯采用PL端的IP實現(xiàn)，原理框圖如圖2所示。其中IIC總線配置模塊負(fù)責(zé)對ADV7511芯片的寄存器進(jìn)行讀寫控制，以控制視頻接收模塊對傳輸過來的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼[3]，VDMA模塊負(fù)責(zé)將圖像幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l接口，同步動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SDMA)和索尼/飛利普數(shù)字音頻接口(SPDIF)負(fù)責(zé)音頻接口的數(shù)據(jù)處理。

圖2 基于ADV7511的PL端邏輯原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)引導(dǎo)過程及原理

如圖3所示，系統(tǒng)啟動過程分為以下4個階段：加電/復(fù)位引導(dǎo)只讀存儲器(ROM)階段；第1級引導(dǎo)裝載程序第1級BootLoader(FSBL)階段；第2級引導(dǎo)裝載程序BootLoader階段和內(nèi)核啟動掛載文件系統(tǒng)階段。

圖3 ZYNQ Linux引導(dǎo)過程

第一階段為上電或系統(tǒng)復(fù)位重啟，主處理器執(zhí)行硬件編碼的引導(dǎo)ROM代碼。ROM代碼支持通過聯(lián)合測試行動組(JTAG)、安全數(shù)字卡(SD Card)、Nor Flash、Nand Flash、QSPI FLASH進(jìn)行引導(dǎo)。芯片的引導(dǎo)模式配置引腳決定了引導(dǎo)模式，引導(dǎo)模式定義了FSBL要從哪個接口裝載。一旦引導(dǎo)模式被確定，引導(dǎo)ROM代碼會讀入導(dǎo)引頭和給定的配置參數(shù)，驗證通過后把FSBL從指定的接口裝載到片上存儲器(OCM)中，之后CPU的控制交給FSBL。

第二階段為第一級引導(dǎo)裝載程序FSBL執(zhí)行階段。FSBL負(fù)責(zé)加載BootLoader并將控制交給BootLoader。

第三階段為BootLoader加載內(nèi)核和文件操作系統(tǒng)。BootLoader根據(jù)bootcmd環(huán)境變量加載PL硬件比特流文件、操作系統(tǒng)內(nèi)核文件和系統(tǒng)設(shè)備描述文件，完成PL硬件邏輯的配置，并最終將控制交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。這個階段涉及以下2個步驟：

(1) 從eMMC存儲器讀取PL硬件比特流文件， 通過fpga loadb命令完成PL端邏輯的配置；

(2) 從eMMC存儲器讀取操作系統(tǒng)內(nèi)核文件和系統(tǒng)設(shè)備樹文件，通過bootm命令將控制交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。

第四階段為操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動并加載文件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備樹文件的設(shè)備描述信息完成設(shè)備硬件資源的初始化，最后掛載文件系統(tǒng)完成整個系統(tǒng)的啟動。

3.2 BootLoader和操作系統(tǒng)移植

BootLoader和操作系統(tǒng)移植采用PetaLinux開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境包含開發(fā)測試和部署基于ZYNQ全可編程片上系統(tǒng)(SoC)所需的工具，可以滿足大多數(shù)開發(fā)人員的需求。開發(fā)具體過程如下：

(1) 采用Vivado開發(fā)工具，完成PL端硬件資源的配置，并導(dǎo)出設(shè)計的硬件描述文件；

(2) 通過petalinux-create命令行工具創(chuàng)建基于ZYNQ模板的工程；

(3) 通過petalinux-config命令行工具導(dǎo)入硬件描述文件，并完成BootLoader加載方案的配置和Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能裁剪；

(4) 通過petalinux-build/package命令行工具完成系統(tǒng)引導(dǎo)文件(BOOT.BIN)、PL端硬件比特流文件(system.bit)、操作系統(tǒng)內(nèi)核文件(image.ub)和系統(tǒng)設(shè)備樹文件(system.dtb)的編譯和生成。

3.3 文件系統(tǒng)移植

文件系統(tǒng)移植過程分為文件系統(tǒng)配置和文件系統(tǒng)鏡像制作2個部分。文件系統(tǒng)配置完成系統(tǒng)軟件的安裝和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；文件系統(tǒng)鏡像制作將配置完成的文件系統(tǒng)形成為特定文件系統(tǒng)格式的文件。

3.3.1 文件系統(tǒng)配置

文件系統(tǒng)的配置主要依賴開發(fā)計算機(jī)上的qemu-user-static文件、chroot命令和Ubuntu提供的基于ARM架構(gòu)的核心文件系統(tǒng)。chroot命令可以切換系統(tǒng)的根目錄位置，將核心文件系統(tǒng)作為根文件系統(tǒng)，然后通過Apt工具使用Ubuntu的軟件倉庫進(jìn)行系統(tǒng)功能軟件的卸載與安裝。Apt(全稱Advanced Package Tool)是Ubuntu的一套核心工具，可以基本解決依賴問題并檢索需要的軟件包。文件系統(tǒng)配置的具體過程如下：

(1) 解壓核心文件系統(tǒng)，目錄名約定為ROOTFS；

(2) 拷貝qemu-arm-static文件到ROOTFS/usr/bin目錄；

(3) 用mount命令以proc文件系統(tǒng)的方式掛載開發(fā)機(jī)/proc目錄到ROOTFS/proc；

(4) 拷貝開發(fā)計算機(jī)的/etc/resolv.conf文件到ROOTFS/etc/；

(5) 使用chroot命令將ROOTFS目錄作為當(dāng)前終端的根目錄；

(6) 使用Apt系列命令根據(jù)需求完成軟件維護(hù)和系統(tǒng)功能配置。安裝的軟件主要包括QT運行時環(huán)境、編譯器工具鏈和Xface桌面系統(tǒng)等。功能配置主要包括系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)IP地址、開機(jī)服務(wù)啟動配制等。

3.3.2 文件系統(tǒng)鏡像制作

文件系統(tǒng)鏡像制作主要使用Linux系統(tǒng)下的dd和mkfs.ext4命令。具體工程如下：

(1) 使用dd命令通過/dev/zero文件生成一個2 GB大小的普通文件，文件名約定為ROOTFS.EXT4；

(2) 使用mkfs.ext4命令將ROOTFS.EXT4文件格式化為ext4格式的文件；

(3) 使用mount命令掛載ROOTFS.EXT4文件到/mnt目錄，并將ROOTFS目錄下的所有文件拷貝到/mnt目錄；

(4) 卸載/mnt即完成系統(tǒng)鏡像文件ROOTFS.EXT4的制作。

3.4 用戶接口驅(qū)動實現(xiàn)

3.4.1 用戶空間I/O子系統(tǒng)

顯控終端外部的接口均為標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備，直接采用Linux操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動。用戶自定義設(shè)備接口主要是PS與PL進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信接口，主要包括先進(jìn)先出(FIFO)、雙端口隨機(jī)存儲器(RAM)、直接存儲器訪問(DMA)、通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、通用輸入輸出端口(GPIO)等。這些接口采用基于AXI總線的IP核設(shè)計與實現(xiàn)。AXI總線有3種總線模式可供用戶選擇，分別是AXI4，AXI-lite和AXI-stream。

對于有些類型的設(shè)備，真正需要的只是通過某些途徑來訪問設(shè)備的內(nèi)存空間和處理中斷。當(dāng)設(shè)備并不使用內(nèi)核提供的其他資源的時候，設(shè)備的控制邏輯并不需要在內(nèi)核中實現(xiàn)。為了解決這一問題，Linux提供了用戶空間I/O子系統(tǒng)。每個采用UIO子系統(tǒng)實現(xiàn)的驅(qū)動設(shè)備，在/dev目錄下都有對應(yīng)的設(shè)備文件，設(shè)備文件名依據(jù)順序依次為uio0，uio1，uio2等[8]。UIO設(shè)備通過設(shè)備文件和sysfs屬性文件進(jìn)行訪問。/dev/uioX文件用來訪問設(shè)備的地址，用mmap()后可以訪問設(shè)備的寄存器和RAM。

中斷處理通過讀取/dev/uioX文件來實現(xiàn)。對/dev/uioX文件進(jìn)行的讀取中斷發(fā)生后立即返回，返回值表示觸發(fā)中斷的個數(shù)，通過判讀相鄰兩次的返回數(shù)值可以判斷是否發(fā)生了中斷丟失。

3.4.2 中斷處理方案

PL可以觸發(fā)最多20個異步中斷給PS，其中最多16個中斷信號會映射到中斷控制器作為外設(shè)中斷。顯控終端的UIO設(shè)備數(shù)量不同，工程的需求也不同，16個中斷信號無法滿足為每個UIO設(shè)備分配獨立的中斷信號資源。為解決這個問題，設(shè)計了一種基于GPIO IP的中斷處理機(jī)制，可以擴(kuò)展系統(tǒng)有限的中斷資源，設(shè)計原理框圖如圖4所示。方案中的GPIO_INT為使能了中斷功能的GPIO IP，該IP包含2個32位的GPIO寄存器，每個GPIO寄存器可以獨立配置為輸入、輸出或輸入輸出。方案將GPIO0作為中斷觸發(fā)寄存器，GPIO1作為設(shè)備狀態(tài)寄存器，對于PS端均為只讀寄存器。狀態(tài)管理模塊負(fù)責(zé)集中處理UIO設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，實時將相應(yīng)外設(shè)的狀態(tài)反映到GPIO1對應(yīng)的比特位，同時翻轉(zhuǎn)GPIO0的最低比特位，GPIO0最低位的翻轉(zhuǎn)會觸發(fā)GPIO_INT產(chǎn)生中斷。PS端響應(yīng)中斷后通過讀取GPIO1的值可以判斷各UIO設(shè)備的狀態(tài)，中斷響應(yīng)程序根據(jù)狀態(tài)完成相應(yīng)的中斷響應(yīng)。若32比特?zé)o法滿足狀態(tài)表示需求，可以通過多個GPIO設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。

圖4 UIO設(shè)備中斷處理機(jī)制示意圖

3.4.3 系統(tǒng)設(shè)備樹

設(shè)備樹，也稱為扁平設(shè)備樹，是一種描述硬件配置的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[9]。硬件配置包括有關(guān)CPU、內(nèi)存、總線以及外設(shè)等相關(guān)的信息。操作系統(tǒng)在啟動時解析設(shè)備樹，根據(jù)解析出的設(shè)備信息配置內(nèi)核并加載對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動。

設(shè)備樹描述文件由節(jié)點和屬性組成，每個節(jié)點可包含字節(jié)點和屬性。PetaLinux工具默認(rèn)生成的設(shè)備樹描述文件不支持在Linux系統(tǒng)下生成UIO設(shè)備文件，需要進(jìn)行修改。需要修改的內(nèi)容主要有以下2個部分：

(1) BootLoader的bootargs環(huán)境變量增加uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio；

(2) 各UIO設(shè)備節(jié)點的compatible屬性改為generic-uio。

4 系統(tǒng)部署方案

系統(tǒng)部署的資源包括引導(dǎo)文件、PL端硬件比特流文件、操作系統(tǒng)內(nèi)核文件、系統(tǒng)設(shè)備樹文件和文件系統(tǒng)鏡像文件五部分。其中引導(dǎo)文件部署在QSPI FLASH中，PL硬件比特流文件、系統(tǒng)設(shè)備數(shù)文件、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及文件系統(tǒng)部署在eMMC存儲器中。

方案引導(dǎo)方式采用QSPI FLASH，引導(dǎo)文件BOOT.BIN直接燒寫到QSPI FLASH的0地址開始空間。其它文件的部署需要對eMMC存儲器進(jìn)行分區(qū)和格式化。

eMMC存儲器的分區(qū)和格式化方案見表1，共分為3個分區(qū)，分別為配置文件分區(qū)、文件系統(tǒng)分區(qū)和用戶空間分區(qū)。由于BootLoader的mmc命令只支持FAT32格式的文件系統(tǒng)，因此配置文件分區(qū)格式化為FAT32格式；文件系統(tǒng)分區(qū)和用戶空間分區(qū)格式化為EXT4格式文件系統(tǒng)。eMMC存儲器標(biāo)稱容量32 GB，實際使用不足32 GB，因此用戶空間的可用容量小于23.5 GB。

表1 eMMC存儲器分區(qū)方案

PL端硬件比特流文件、操作系統(tǒng)內(nèi)核文件、系統(tǒng)設(shè)備樹文件以文件的形式部署在配置文件分區(qū)，文件系統(tǒng)鏡像文件通過dd命令寫入文件系統(tǒng)分區(qū)。由于文件系統(tǒng)鏡像小于系統(tǒng)分區(qū)，通過resize2fs命令進(jìn)行擴(kuò)容可以使用全部分配的分區(qū)空間。

操作系統(tǒng)內(nèi)核文件對于應(yīng)用基本不需要改變，配置文件分區(qū)只需要部署1份內(nèi)核文件。PL端硬件比特流文件、系統(tǒng)設(shè)備樹文件對于不同的功能和需求文件是不同的，但2個文件大小總和均約為5 MB。因此配置文件分區(qū)可以容納多個硬件比特流文件和對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備樹文件，通過修改BootLoader環(huán)境變量即可實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。

5 測試結(jié)果與分析

完成系統(tǒng)開發(fā)后，選取某信號偵察項目進(jìn)行測試，驗證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。該項目設(shè)計的PL端接口資源見表2。

表2 接口資源列表

5.1 啟動測試

加電后系統(tǒng)被成功引導(dǎo)，登陸基于Xfce的Linux桌面系統(tǒng)，并打印出系統(tǒng)的設(shè)備文件，結(jié)果如圖5所示。從打印出的設(shè)備文件可以看出系統(tǒng)成功創(chuàng)建了5個基于用戶空間子系統(tǒng)的uio0～uio4設(shè)備，1個負(fù)責(zé)顯示輸出的fb0設(shè)備，3個eMMC存儲器的分區(qū)設(shè)備mmcvlk1p1～3等。

圖5 顯示終端系統(tǒng)信息

5.2 功耗測試

實際測試表明，顯控終端核心處理板的功耗約為10 W，觸摸屏功耗約為6 W，通過冷板傳導(dǎo)散熱方式即可滿足系統(tǒng)正常工作。

6 結(jié)束語

本文基于ZYNQ處理器設(shè)計并實現(xiàn)了一種顯控終端，在實際工程應(yīng)用中，該顯控終端的設(shè)計思想得到了很好的驗證。通過網(wǎng)絡(luò)維護(hù)文件系統(tǒng)的方式簡化了文件系統(tǒng)的管理，比如，在無顯示需求的應(yīng)用場合，可以方便地實現(xiàn)從文件系統(tǒng)里裁減，刪除和桌面系統(tǒng)相關(guān)的組件，大大壓縮了文件系統(tǒng)的體積。系統(tǒng)設(shè)備樹機(jī)制簡化了設(shè)備研發(fā)周期，只需更新PL端硬件比特流文件和相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備樹文件，就可以適用于新項目的需求。文件系統(tǒng)集成了完整的軟件開發(fā)工具鏈，外場問題的排查可以在終端本地完成，極大方便了外場保障效率。同時由于觸摸虛擬操作界面的引入，通過更新顯控軟件即可滿足不同項目的應(yīng)用需求。經(jīng)過測試，此顯控終端成功應(yīng)用于多個信號偵察設(shè)備中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。