引言
    隨著FPGA(Field Prograromable Gate Array,，現場可編程門陣列)技術的迅速發(fā)展,，SOPC(Systam On a Prograromable Chip，可編程片上系統)作為一種特殊的嵌入式微處理器系統,，已逐漸成為一個新興的技術方向,。SOPC融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統可編程,、可裁減,、可擴充、可升級的功能,。其核心是在FPGA上實現的嵌入式微處理器核,，而如何針對特定的微處理器選擇合適的嵌入式操作系統是SOPC開發(fā)的難點之一。本文針對Xilinx公司的MicroBlaze軟核,，介紹了PetaLinux嵌入式操作系統及其移植方法,，研究了PetaLinux的相關配置和啟動方案。

1 基于MicroBlaze處理器的系統設計
1．1 MicroBlaze處理器簡介
    MicroBlaze軟核處理器是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的功能強大的微處理器。它內部采用RISC架構的32位指令和數據總線,，支持CoreConnect片上總線的標準外設計集合,，具有兼容性和重復利用性，且可根據性能需求和邏輯區(qū)域成本任意裁減,，極大地擴展了應用范圍,，其最精簡的核只需要將近400個Slice。
    MicroBlaze的CoreConnect總線,、它能夠將FPGA內各種不同的IP核連接到一起構成一個完整的系統。CoreConnect總線是一個總線標準的集合,，它包括PLB總線(Processor Local Bus,，處理器本地總線)，LMB總線(Local Memory Bus,，高速本地存儲器總線),，FSL(Fast Simplex Link，快速單連接)總線,，以及XCL(Xilinx CacheLink)總線等,。
1．2 系統結構和外部設備概述
    本系統主要是在Virtex-4開發(fā)板上構建一個以MicroBlaze處理器為中心的嵌入式信號處理系統，在FPGA內部實現系統的總線架構,、數據存儲,、地址譯碼、外設接口等系統部件和功能,。各功能部件在FPGA內部都以IP核的形式構建并連接,，整個系統的結構框圖如圖1所示。

    其中,，SysACE用于存放文件系統和應用程序配置文件,，INTC用來實現中斷控制；GPIO和UART 16550用于系統調試,，自定義IP核DDC用來實現數字接收機下變頻功能,，這些外設通過PLB總線與MicroBlaze處理器和DDR相連；用于快速傅里葉變換的自定義IP核FFT通過FSL總線與Micr-oBlaze內部通用寄存器直接相連,，實現了數據的快速傳輸,；DDR通過XCL總線與MicroBlaze處理器相連，實現了MicroBlaze處理器對片外存儲器的高速訪問,。
1．3 嵌入式操作系統的選擇
    選用PetaLinux嵌入式操作系統,。它是PetaLogix公司專門針對FPGA的片上系統設計的嵌入式Linux開發(fā)套件，在滿足應用工程的邏輯編程能力和對嵌入式Linux要求的同時,，可極大地縮短產品開發(fā)周期,。PetaLinux作為專門針對于Xilinx FPGA的嵌入式Linux解決方案，不但提供了專門的BSP生成器，而且提供了眾多的參考設計,，可以幫助設計者快速掌握PetaLinux的配置方法,。PelaLinux內核正在不斷的完善之中，且不斷地加入基于Xilinx FPGA嵌入式系統IP核的設備驅動,，比如XilinxUSB,、SysACE、FSL總線設備驅動,、10／100／1000M三態(tài)以太網MAC等,。這些設備驅動極大地減輕了嵌入式系統開發(fā)者的工作量，縮短了產品開發(fā)的周期,。

2 PetaLinux系統移植
    在SOPC硬件系統構建完成后,，就要針對此結構配置操作系統內核，下面介紹具體步驟,。
2．1 建立交叉編譯環(huán)境
    嵌入式系統開發(fā)一般采用交叉編譯的方法,，即在宿主機上對內核和應用程序進行編譯，生成目標機處理器可執(zhí)行的二進制位流文件,，將此文件下載到目標機運行,。PetaLinux針對MicroBlaze處理器建立了交叉編譯器，運行source．／settings．sh腳本,，系統會自動建立交叉環(huán)境,。
2．2 建立硬件平臺
    PetaLinux為每個應用工程建立一個文件夾，里面保存該工程的硬件配置,。在移植PetaLinux時,，只需選擇相應的硬件平臺，內核就會讀取該工程文件夾下的配置文件,。使用PetaLinux-new-platform命令建立硬件平臺,，如果使用MMU(虛擬內存管理單元)，則在此命令后添加-m選項,。硬件平臺建立起來后,，運行make menuconfig命令，在Vendor／Product Seletion選項中,，選擇該硬件平臺,。
    另外，還需將在EDK下生成的配置文件轉換成Linux操作系統可以識別的格式,。在工程文件夾下運行PetaLinux-copy-autoconfig命令,，自動完成格式轉換，并拷貝配置文件到已選擇的工程文件夾下,。
2．3 添加自定義設備驅動
    本系統自定義了IP核,，因此必須開發(fā)驅動程序并將其添加到PetaLinux配置中,。添加自定義設備驅動主要步驟如下：
    ①在平臺配置目錄下Makefile文件中添加語句platobj-$(CONFIG_PETALOGIX_DDC)+=ddc．o和$(obj)／ddc．o：．config使設備初始化函數ddc．C與內核配置相關聯；
    ②在驅動程序所在目錄下的Makefile文件中添加obj-$(CONFIG_PETALOGIX_DDC)+=ddc_adapter．o使設備驅動程序ddc_adapter．c與內核配置相關聯,；
    ③修改設備驅動程序所在目錄下的Kconfig文件,，使配置內核時可以選擇該設備驅動，并添加以下語句：

    通過以上文件的修改,，就可以在配置PetaLinux內核時選擇自定義的設備驅動,。
2．4 配置PetaLinux內核
    由于Linux內核的可裁減性，能夠方便地對內核進行修改,、裁減,、編譯，最終移植到一個嵌入式系統中,。運行圖形編輯工具make menuc-onfig命令,，對內核和系統環(huán)境進行配置。
    在內核配置的設備驅動選項中,，一定要選擇與系統硬件配置一致的硬件設備驅動，否則內核編譯時就會出錯,。針對本系統的硬件配置,，主要配置以下幾項驅動：
    ①[Block devices]塊設備。選擇Xilinx SystemACEsupport,。
    ②[Misc device]混雜設備,。選擇FSL FIFO driver，然后進入FSL Channel Selection,，選擇FIFO on FSLO,，并選擇自添加設備驅動Pet-aLogix DDC101 Driver。
    ③[Network device support]網絡設備,。選擇Ethernet(1000Mbit)子菜單中的Xilinx 10／100／1000 LLTEMAC support,。
    ④[Character devices]字符設備。選擇Serial drivers子菜單中的8250／16550 and compatible serial support和Console on 8250／16550 and compatible serial port,。
    文件系統選項中,，默認選擇了ext2、romfs和cramfs文件系統,，其他文件系統可以根據需要自行選擇,。本系統需要掛載DOS文件系統的CF卡，因此進行以下配置：
    ①[DOS／FAT／NT Filesystems],。選擇MSDOS fssupport,。
    ②[Native Language Support]。選擇Codepage 437(United States,，Canada),。
    內核配置中的其他配置可以根據目標系統的不同靈活配置,，配置完成后保存退出，自動進入系統環(huán)境配置菜單,。系統環(huán)境配置是對Peta-Linux的屬性,、命令進行配置，主要有以下幾個選項：
    ①[System Settings]系統設置,。配置系統的網絡地址,、默認用戶名、默認登陸密碼和所用根文件系統等內容,。
    ②Core Applications]內核應用,。主要配置內核的常用特性。
    ③[Network Applications]網絡應用,。配置網絡應用時的相關命令,。
    ④[Miscellaneous Applications]混雜應用。配置系統內核中的命令,。
    ⑤[BusyBox],。配置系統內核中的命令。
    PetaLinux已經設置好了編譯規(guī)則,，因此配置完成后,，依次執(zhí)行命令make dep、make clean,、make all,，建立文件依賴關系，清除舊的文件,，編譯內核,，生成內核image。

3 PetaLinux啟動方案
    經過編譯的PetaLinux內核image文件主要有image．bin,、image．elf,、image．ub。根據選擇image文件的不同,，PetaLinux有4種啟動方案：XMD下載啟動,、TFTP網絡下載啟動、Flash啟動和SysACE CF卡啟動,。其中,，XMD和TFTP網絡下載啟動方案，在每次系統上電后都必須重新下載,，適用于系統調試,；Flash啟動方案在系統上電后自動從Flash中讀取配置文件，但Flash燒寫速度較慢,，更改系統配置較為不便,。因此,，本系統選用SysACECF卡啟動方案。
    使用SysACE CF卡啟動PetaLinux,，先將硬件比特流文件和image．elf制作成ACE文件,，再復制到CF卡中，配置CF卡啟動PetaLinux,。制作ACE文件,，可在EDKShell窗口運行命令：
    xmd-tcl genace．tcl(命令工具)
    -jprog-board m1402(所需的開發(fā)板)
    -hw implementation／download．bit(生成的比特流文件)
    -elf image．elf(編譯Linux內核生成的可執(zhí)行網表文件)
    -ace system．ace(需生成的ACE文件)
    成功后，適合于ML-402開發(fā)板的ACE文件就生成了,。
    Linux運行需要根文件系統的支持,，啟動時必須加載文件系統以支持系統的運行，而image．elf中不包含文件系統,。因此,，使用SysACE CF卡啟動時必須手動加載文件系統。在編譯PetaLinux內核時,，已經生成了以romfs文件夾為名稱的文件系統,，所以只需將CF卡分區(qū)和格式化，然后掛載此文件系統,。具體步驟如下：
    ①將CF卡掛載到Linux系統中,，運行命令fdisk／dev／sda把CF卡分成3個區(qū)。第1分區(qū)存放system．ace文件,，第2分區(qū)為Linux Swap交換分區(qū),，第3分區(qū)存放根文件系統,。
    ②Linux下格式化第3分區(qū)為ext2文件系統,，運行命令mke2fs／dev／sda3。在／ete／fstab下輸入命令／dev／sda3／mnt／rootfs auto defaults,，user,，noauto 0 0。把設備sda3掛在／mnt／rootfs文件下,，文件系統為默認的ext2,，普通用戶，能掛載,，不轉儲,，啟動時不掃描文件系統。通過命令mount／mnt／rootfs掛載該目錄,，這樣就可以把根文件系統rootfs拷貝到CF卡的該分區(qū)上,。
    ③Windows下格式化第1分區(qū)為FAT32文件系統，把system．ace復制到這個分區(qū),。
    ④Linux下格式化第2分區(qū)為交換分區(qū),，運行命令mkswap／dev／sda2,。
    一切準備就緒后，插入CF卡,，開啟電源,，就可以從CF卡啟動PetaLinux。

結語
    本文介紹了一種可用于MicroBlaze處理器的嵌入式Linux操作系統——PetaLinux,，并詳細討論了其內核配置和啟動方案,。通過移植Peta-Linux，本文開發(fā)的SOPC可以直接用于實際工程,。該嵌入式操作系統移植快速,、簡單，由于其基于Linux2．6內核,，可以保證較高的穩(wěn)定性,。因此，在SOPC應用日益復雜的背景下具有較高的實用價值,。
    本文創(chuàng)新點：實現了PetaLinux在MicroBlaze處理器的移植,，并成功實現PetaLinux中自定義硬件設備驅動的添加和SysACE CF卡的啟動方案。