MicroBlaze处理器的PetaLinux操作系统移植

引言
随着FPGA(Field Prograromable Gate Array，现场可编程门阵列)技术的迅速发展，SOPC(Systam On a Prograromable 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PetaLinux的相关配置和启动方案。

1 基于MicroBlaze处理器的系统设计
1．1 MicroBlaze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(Fast Simplex Link，快速单连接)总线，以及XCL(Xilinx CacheLink)总线等。
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Micr-oBlaze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。PelaLinux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。

2 PetaLinux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行的二进制位流文件，将此文件下载到目标机运行。PetaLinux针对MicroBlaze处理器建立了交叉编译器，运行source．／settings．sh脚本，系统会自动建立交叉环境。[p]
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 Seletion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Makefile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Makefile文件中添加obj-$(CONFIG_PETALOGIX_DDC)+=ddc_adapter．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：

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PetaLinux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 menuc-onfig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 SystemACEsupport。
②[Misc device]混杂设备。选择FSL FIFO driver，然后进入FSL Channel Selection，选择FIFO on FSLO，并选择自添加设备驱动Pet-aLogix DDC101 Driver。
③[Network device support]网络设备。选择Ethernet(1000Mbit)子菜单中的Xilinx 10／100／1000 LLTEMAC support。
④[Character devices]字符设备。选择Serial drivers子菜单中的8250／16550 and compatible serial support和Console on 8250／16550 and compatible serial port。
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 fssupport。
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Peta-Linux的属性、命令进行配置，主要有以下几个选项：
①[System Settings]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。
②Core Applications]内核应用。主要配置内核的常用特性。
③[Network Applications]网络应用。配置网络应用时的相关命令。
④[Miscellaneous Applications]混杂应用。配置系统内核中的命令。
⑤[BusyBox]。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image。

3 PetaLinux启动方案
经过编译的PetaLinux内核image文件主要有image．bin、image．elf、image．ub。根据选择image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SysACE CF卡启动PetaLinux，先将硬件比特流文件和image．elf制作成ACE文件，再复制到CF卡中，配置CF卡启动PetaLinux。制作ACE文件，可在EDKShell窗口运行命令：
xmd-tcl genace．tcl(命令工具)
-jprog-board m1402(所需的开发板)
-hw implementation／download．bit(生成的比特流文件)
-elf image．elf(编译Linux内核生成的可执行网表文件)
-ace system．ace(需生成的ACE文件)
成功后，适合于ML-402开发板的ACE文件就生成了。
Linux运行需要根文件系统的支持，启动时必须加载文件系统以支持系统的运行，而image．elf中不包含文件系统。因此，使用SysACE CF卡启动时必须手动加载文件系统。在编译PetaLinux内核时，已经生成了以romfs文件夹为名称的文件系统，所以只需将CF卡分区和格式化，然后挂载此文件系统。具体步骤如下：
①将CF卡挂载到Linux系统中，运行命令fdisk／dev／sda把CF卡分成3个区。第1分区存放system．ace文件，第2分区为Linux Swap交换分区，第3分区存放根文件系统。
②Linux下格式化第3分区为ext2文件系统，运行命令mke2fs／dev／sda3。在／ete／fstab下输入命令／dev／sda3／mnt／rootfs auto defaults，user，noauto 0 0。把设备sda3挂在／mnt／rootfs文件下，文件系统为默认的ext2，普通用户，能挂载，不转储，启动时不扫描文件系统。通过命令mount／mnt／rootfs挂载该目录，这样就可以把根文件系统rootfs拷贝到CF卡的该分区上。
③Windows下格式化第1分区为FAT32文件系统，把system．ace复制到这个分区。
④Linux下格式化第2分区为交换分区，运行命令mkswap／dev／sda2。
一切准备就绪后，插入CF卡，开启电源，就可以从CF卡启动PetaLinux。

结语
本文介绍了一种可用于MicroBlaze处理器的嵌入式Linux操作系统——PetaLinux，并详细讨论了其内核配置和启动方案。通过移植Peta-Linux，本文开发的SOPC可以直接用于实际工程。该嵌入式操作系统移植快速、简单，由于其基于Linux2．6内核，可以保证较高的稳定性。因此，在SOPC应用日益复杂的背景下具有较高的实用价值。
本文创新点：实现了PetaLinux在MicroBlaze处理器的移植，并成功实现PetaLinux中自定义硬件设备驱动的添加和SysACE CF卡的启动方案。