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XILINX基于FPGA的嵌入式系統的硬件設計

信息來源 : 網絡 | 發布時間 : 2019-08-14 09:45 | 瀏覽次數 : 3311

FPGA是通過邏輯組合電路來實現各種功能的器件。由于FPGA內部集成了大量的邏輯資源和可配置的I/O引腳,加上獨特的并行處理架構,可以輕松實現同時對多個外部設備的配置和管理,以及內外各種接口數據的傳輸。現在開發廠商又在FPGA 內部加入了大量的DSP和Block RAM資源,非常適合圖像處理、數字信號處理等運算密集的應用,因此在這些領域取得了廣泛的應用。但是由于FPGA 程序編寫的靈活性和功能的多樣性,使得它在一個復雜工程中對各個程序的使用調度、統籌管理上有很大的局限性,這樣就必須引入操作系統進行統一的管理。Linux 系統則因為其良好的可裁減、可配置等特點在嵌入式領域應用廣泛。 Linux操作系統提供了許多系統級的應用,例如網絡協議的實現、進程調度、內存管理等,同時Linux 是一個成熟的開源操作系統,有豐富的應用資源,利用這些資源和強大的系統功能,用戶可以快速地開發基于嵌入式環境復雜系統。因此,結合FPGA和Linux雙方優勢,可以很好地滿足嵌入式系統設計需求,量體裁衣,去除冗余。本文給出了一種基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系統解決方案。

  基于FPGA的嵌入式系統的硬件設計

  本設計是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA,它內部集成了兩個PowerPC405處理器, 4個10/100/1000M以太網MAC模塊,運行頻率300MHz時,具有420D-MIPS性能,能解決高速網絡數據傳輸問題,并且能解決通過網絡加載操作系統和交叉編譯等問題。它內部有448個可配置I/O口,2592kb BlockRAM,能實現對各種外部設備的并行控制以及較多數據的存儲與處理。加載一個操作系統,一般需要幾十兆的內存空間,FPGA內部自帶的RAM空間是遠遠不夠的,本設計在板上擴展了兩片MICRON公司的256Mb DDR內存,作為上電時操作系統的加載和運行空間。現在主流的嵌入式操作系統,都需要搭建交叉編譯環境,把在主機上編寫好的可執行文件下載到目標板上,這就需要實現網絡數據的傳輸。由于XC4VFX40 自帶了以太網MAC模塊,只需要在外面添加個PHY芯片和帶隔離器的RJ45接口就能實現這個功能。本設計由于對網絡數據實時性要求很高,因此采用Marvell公司的千兆以太網PHY芯片88E1111-RCJ。它能根據自身配置和主機設計,實現10/100/1000M自適應傳輸,并且Linux本身對這個芯片提供了驅動支持,實現無縫鏈接。操作系統加載到DDR 中能快速有效的運行,但是掉電就會丟失,因此必須加入FLASH芯片,把系統文件存儲到外部FLASH中。加電時,FPGA把操作系統文件從FLASH讀入到 DDR中運行。FPGA設計當然會擴展很多接口出來,利用自身并行處理的優勢,控制很多外圍設備,本設計也不例外,擴展了8個通用的GPIO,2個PS/2接口,1個USB接口,1個AC97聲卡接口,1個 HotLink接口,以及4個RS422接口,同時擴展了兩個CPCI接口,引出了16位數據地址線和Ethernet控制線,整個系統的硬件框圖如圖1所示。

 在進行電路設計時,是以FPGA為核心,向外擴展各種設備,因此特別注意了FPGA各個引腳的連接。由于DDR和PHY芯片都需要提供+2.5V電壓,因此和DDR、PHY芯片連接引腳所在的BANK需要提供+2.5V電壓參考,并且不能接以LVTTL或LVCMOS為電壓參考的引腳。重要快速的時鐘信號必須接到全局時鐘引腳上。由于FPGA需要通過外部FLASH啟動操作系統,需要并行配置,以減少加載時間,配置電路如圖2所示。在DDR布線時,數據和地址線需要走等長線,數據線之間不能相差10Mil,地址線要控制在20Mil以內,時鐘也需要走差分等長線,長度應大于地址線,DDR各個信號還需要47Ω的并行端接,改善信號質量。千兆 PHY 輸出MDI信號也需要在頂層做差分等長,不然在進行1000M數據傳輸時很可能不穩定。DDR和PHY需要完整的電源回路做參考,電源層劃分時也要特別注意,其他電路做常規處理就可以了。

  EDK和ISE軟件設計

  首先需要調用Xilinx提供的 EDK軟件,對各個模塊加入必要的IPCORE,以便操作系統能正常調用這些器件的驅動操作他們。本設計采用的是EDK10.1.2版本,PPC方面選用ppc405內核,頻率設定在300MHz,同時需要添加中斷輸入引腳,以便響應以太網、串口等外部中斷,其他使用默認設置。DDR控制器采用EDK提供的Multi-Port-Memory Controller模塊,需要設置DDR芯片廠商、大小和數據位數等,特別指出的是,要設置獨立的兩條PLB總線和PPC連接,作為PPC的指令和數據總線。MAC單元需要加入XPS_LL_TEMAC模塊來控制,本設計需要設置PHY 類型為GMII(千兆以太網),同時要指定物理地址和收發FIFO大小。FLASH單元需要加入xps_mch_emc模塊,同時設置FLASH類型和讀寫時間。為了方便調試,還需要加入串口控制臺模塊,本設計使用的是UartLite模塊,設置需要的波特率和校驗類型。特別注意的是,系統還需要時鐘管理模塊(DCM),提供各個模塊需要的不同時鐘,還要設置一段FPGA內部RAM區域,放置PPC的.boot文件。外部這些模塊都通過PLB總線和PPC通信,需要統一編址,一般把DDR 內存空間地址分配到0x0開始,整個系統的構建如圖3所示。


本設計,除了在 EDK中搭建了操作系統必須的各種模塊后,還需要在ISE中編寫各個時序電路程序,因此把 EDK中編寫好的工程作為一個模塊,加入到ISE中,然后統一編譯,這樣生成了我們需要的完整功能的程序。特別指出的是,PPC405數據地址采用的是大端模式,接入到ISE中時,需要把數據顛倒位置,如DATA[0:31]變為DATA[31:0],才能正常讀寫。

Linux操作系統的加載與燒寫

  加載Linux操作系統需要利用EDK軟件提供的板級升級包(BSP)配置內核。BSP 包含了所選定處理器架構的屬性文件以及相關硬件的驅動源文件。首先要在EDK Project Option 中Project Peripheral Respository選項下設置Xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 庫路徑,然后在軟件平臺設置中選擇Dts模式,編譯更新升級包,生成.dts配置文件。Dts文件包含了所有模塊地址分配,中斷以及驅動信息,把他加入到Linux 內核中,然后配置內核選項選擇對應的處理器架構、所選硬件的驅動模塊以及需要的其他內核模塊,之后再對完成配置的內核進行編譯,生成Linux 的內核image 文件。生成內核image 文件之后,還需要生成系統運行所需要的根文件系統。根文件系統中包含了嵌入式Linux系統的所有應用程序、庫以及系統配置等相關文件。根文件系統中常用的程序和命令可利用開源軟件Busybox構造。構造完成之后,在Busybox 生成的目錄和文件的基礎上再構造根文件系統的目錄樹,并添加相關設備文件和配置文件以及系統運行時需要的腳本文件, 從而形成最終的根文件系統,ramdisk.image。把他拷貝到內核中的../arch/powerpc/boot目錄下,在linux2.6.x根目錄下運行make zlmage. initrt,生成最終的系統文件。需要指出的是,在編譯linux內核時,需要設置好交叉編譯環境:首先安裝ELDK編譯軟件,然后在編輯自己的帳戶目錄下的 .bashrc (例如:/home/ppc/) 中加入下面內容:

  CROSS_COMPILE=ppc_4xx

  $PATH=$PATH:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/usr/bin:/home/ ppc /PowerPc/ELDK/binexport CROSS_COMPILE PATH

  保存,然后執行$source .bashrc

  把生成的zlmage.initrd 文件通過 EDK 軟件下的XMD調試窗口,使用dow zlmage.initrd命令下載到DDR中,然后運行 run命令,就正常啟動Linux了。

  程序下載到 DDR中,掉電后,數據就丟失了,不能保存和連續使用,因此要把操作系統燒寫到FLASH,上電后讓它能自動運行,掉電后也不會丟失。EDK提供了專門的FLASH 燒寫工具Program Flash Memory,首先要把zlmage.initrd文件轉換為FLASH能識別的.SREC文件,需要在EDK Shell下運行下面命令:

  $powerpc-eabi-objcopy –I elf32-powerpc –O srec zImage.initrd.srec

  第一次燒寫FLASH時需要把Program Flash Memory中Create Flash Bootlooder Application 勾上,讓系統自動生成Bootlooder程序。操作系統燒寫到Flash中后,需要FPGA在上電后自動從FLASH讀取操作系統數據,然后自動運行,這幾需要把剛剛生成的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命令就能實現。最后把生成的.mcs文件燒寫到FPGA PROM中,上電后,系統就能自動運行了。

  設計結果與分析

  在Linux系統正常加載后,我們設計一個程序,它通過以太網,從上位機獲得數據,存入FPGA內部BlockRam中,再在ISE中編寫程序,把獲得的數據取出,產生頻率可變的波形發生器,并回傳發送的參數給上位機。

  通過實驗證明,在FPGA加入操作系統后,能輕松實現網絡數據的收發,并通過FPGA自身的邏輯,產生我們需要的各種控制信號,做到了系統的統一調度和各個功能的并行處理,發揮了操作系統和FPGA各自的優勢。但是也發現,FPGA下操作系統運行的頻率不高,最多600MHz,中斷響應間隔較長,大約3ms左右,系統上電啟動時間較長,大約40s左右,這些都需要在今后設計中進一步完善和提升。


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