0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了信息化與工業(yè)化的快速融合,。作為一種新型產(chǎn)業(yè)模式,，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，IIoT)在過(guò)去幾年的研究和實(shí)踐中受到很大關(guān)注^[1-2],。IIoT的迅速發(fā)展使得自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)成為新的科技熱點(diǎn),。IIoT將傳感器網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，已被用于多個(gè)行業(yè),，以提高生產(chǎn)力和安全性^[3-4],。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在IIoT感知層與應(yīng)用層間起著重要作用，隨著涉及的業(yè)務(wù)需求日益復(fù)雜,，它的實(shí)現(xiàn)也變得越來(lái)越具挑戰(zhàn)性,。在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的高效運(yùn)行非常重要。先進(jìn)的軟件工程解決方案對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率影響很大^[5],。Xilinx Zynq AP SoC通過(guò)集成處理器的軟件可編程性與FPGA的硬件可編程性,，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的設(shè)計(jì)靈活性，可提供面向嵌入式領(lǐng)域可重配置的軟件工程解決方案,，從而加速生產(chǎn)力,。

    BSP在嵌入式系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，主要用來(lái)適配特定類(lèi)型的硬件平臺(tái),。它通常包含了用來(lái)配置可定制電路的硬件比特流,、引導(dǎo)加載操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)支持代碼以及主板上所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。BSP開(kāi)發(fā)目的在于屏蔽底層硬件,，提供操作系統(tǒng)與硬件驅(qū)動(dòng),，使操作系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行于主板環(huán)境^[6-7],。由于傳統(tǒng)BSP設(shè)計(jì)存在不可或不易修改、難以復(fù)用以及設(shè)計(jì)流程復(fù)雜等問(wèn)題,，本文面向工業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的自動(dòng)化系統(tǒng),，采用Xilinx提供的Vivado集成開(kāi)發(fā)套件及用于構(gòu)建和部署嵌入式系統(tǒng)到Xilinx全可編程處理器平臺(tái)的PetaLinux工具，完成了基于Zynq-7000 AP SoC的BSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),。

1 BSP總體結(jié)構(gòu)

    BSP設(shè)計(jì)最終生成對(duì)應(yīng)用層提供支撐的鏡像文件為BOOT.BIN和image.ub,。BSP的總體架構(gòu)如圖1所示。BOOT.BIN啟動(dòng)鏡像主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件部分配置,，用于上電后配置Zynq芯片的處理器系統(tǒng)（Processing System,，PS）及可編程邏輯（Programmable Logic，PL）,，并為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行環(huán)境,。image.ub支持內(nèi)核升級(jí)，功能可裁剪,，由PeteLinux工具編譯打包生成,。

    第一階段引導(dǎo)加載器（First Stage Boot Loader，F(xiàn)SBL）在啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)之后運(yùn)行,，啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)在ARM核上電啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行,，負(fù)責(zé)加載FSBL至片上存儲(chǔ)器（On Chip Memory，OCM）或在線性Flash存儲(chǔ)介質(zhì)上直接運(yùn)行,。對(duì)于運(yùn)行在Zynq平臺(tái)的Linux系統(tǒng)而言,，第二階段引導(dǎo)加載器（Second Stage Boot Loader，SSBL）即為通用引導(dǎo)加載器（Universal Boot Loader,，U-Boot）,。Xilinx提供了用于適配不同系列Zynq主板的U-Boot?；赯ynq-7000 AP SoC的BSP各個(gè)組成部分對(duì)應(yīng)的功能說(shuō)明如下：

    (1)FSBL,。FSBL負(fù)責(zé)初始化Zynq AP SoC PS端資源并使用硬件比特流文件配置PL端資源。

    (2)硬件比特流,。硬件比特流由Vivado集成開(kāi)發(fā)工具構(gòu)建的FPGA系統(tǒng)生成,，包含F(xiàn)PGA編程信息，用于配置FPGA器件,。

    (3)SSBL,。SSBL負(fù)責(zé)初始化內(nèi)存和必要的外設(shè)資源，設(shè)置Linux內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)以及加載Linux系統(tǒng)到內(nèi)存中運(yùn)行,。

    (4)Linux內(nèi)核鏡像,。Linux內(nèi)核鏡像是Linux操作系統(tǒng)的核心，提供硬件抽象層,、進(jìn)程及內(nèi)存管理,、磁盤(pán)與文件系統(tǒng)控制等功能,。

    (5)根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)基于BusyBox源碼構(gòu)建,，負(fù)責(zé)管理Linux系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)所必需的目錄和關(guān)鍵性文件,。

    (6)設(shè)備樹(shù)。設(shè)備樹(shù)文件用于描述部分硬件信息并在Linux系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)傳遞配置參數(shù),。

2 FPGA工程設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備中很多是符合RS232,、RS422或RS485等串行數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言,，如何面向這些監(jiān)測(cè)設(shè)備提供可重配置的接口,，成為一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。許多傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備所提供的功能在出廠時(shí)便已在固件中完成燒錄定義,，無(wú)法面向新的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行修改或擴(kuò)展,。然而，對(duì)于許多應(yīng)用場(chǎng)景,，固定功能的硬件會(huì)因?yàn)殡y以進(jìn)行資源復(fù)用而導(dǎo)致成本提升,。FPGA器件因?yàn)榫哂袆?dòng)態(tài)可重構(gòu)的特性,，被認(rèn)為是數(shù)字可演化硬件系統(tǒng)一個(gè)很好的平臺(tái)^[8],。Xilinx使用硅片堆疊技術(shù)設(shè)計(jì)出了高容量的FPGA，用于滿足低功耗,、低延時(shí)及高帶寬的應(yīng)用需求,。

2.1 工程構(gòu)建

    在進(jìn)行FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往需要重用已有的功能模塊，于是類(lèi)似于軟件開(kāi)發(fā)庫(kù)文件的IP核應(yīng)運(yùn)而生,。IP核通常是預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路功能模塊,，主要被用于ASIC或FPGA系統(tǒng)。Xilinx提供了可連接到高級(jí)可擴(kuò)展接口（Advanced eXtensible Interface,，AXI）的通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,，UART）Lite。每一個(gè)AXI UART Lite IP核都可以實(shí)際對(duì)應(yīng)一個(gè)串行通信接口,，為工業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供支持,。AXI UART Lite IP核可以為異步串行數(shù)據(jù)傳輸提供控制器接口。它的設(shè)計(jì)目的在于和 AXI4-Lite協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接,。AXI UART Lite的主要性能和優(yōu)勢(shì)^[9]如下：

    (1)基于AXI4-Lite 規(guī)格的AXI 接口,；

    (2)一個(gè)發(fā)送通道和一個(gè)接收通道（全雙工）；

    (3)16個(gè)字符的發(fā)送和接收先進(jìn)先出隊(duì)列（First Input First Output,，F(xiàn)IFO）,；

    (4)單個(gè)字符的數(shù)據(jù)比特位(5～8)數(shù)量可配置；

    (5)校驗(yàn)位（奇偶或無(wú)）可配置,；

    (6)波特率可配置,。

    Xilinx提供了Zynq7處理器系統(tǒng)IP封裝,，用于加速嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置。在Vivado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中搭建基于Zynq-7000的小型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FPGA工程,，工程結(jié)構(gòu)如圖2所示,。工程中添加了ZYNQ7處理器系統(tǒng)模塊、3個(gè)AXI UART Lite模塊以及AXI互聯(lián)模塊等IP核,，AXI Interconnect IP負(fù)責(zé)將一個(gè)或多個(gè)AXI存儲(chǔ)器映射的主器件連接到一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器映射的從器件,。在進(jìn)行FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還預(yù)留了部分GPIO接口資源，方便對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展,。

2.2 資源配置

2.2.1 PS端資源配置

    根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求配置Zynq XC7Z010處理器系統(tǒng),，并規(guī)劃XC7Z010的PS端MIO資源。MIO是I/O外設(shè)連接的基礎(chǔ),。XC7Z010芯片通過(guò)MIO最多可以引出54個(gè)三態(tài)通用輸入輸出（General Purpose Input Output,，GPIO）引腳。這些GPIO引腳都是在程序上可控的,，并且支持動(dòng)態(tài)修改配置,。它們可以單獨(dú)配置為輸入、輸出或中斷的功能,。PS端部分資源規(guī)劃結(jié)果如表1所示,。

2.2.2 PL端資源配置

    Zynq中的PL主要用于擴(kuò)展功能。通過(guò)使用多個(gè)特殊引腳和信號(hào),，可以將Zynq-7000內(nèi)的PS和PL緊密或松散地耦合在一起^[10],。XC7Z010主芯片包含用于連接外設(shè)和某些特殊功能引腳的IO接口資源。 特殊引腳最主要用于實(shí)現(xiàn)復(fù)位,、狀態(tài)指示,、系統(tǒng)配置、模式配置等功能,，通過(guò)特定引腳和功能復(fù)用引腳來(lái)實(shí)現(xiàn),。XC7Z010的主要特殊引腳的配置說(shuō)明如表2所示。

3 PetaLinux工程設(shè)計(jì)

    使用PetaLinux工具構(gòu)建基于Zynq AP SoC的嵌入式Linux操作系統(tǒng),。PetaLinux工具包括定制的BSP生成工具,、Linux配置工具以及軟件開(kāi)發(fā)工具。使用這些工具可以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)加載程序,、Linux內(nèi)核以及Linux應(yīng)用程序的靈活配置,，有利于開(kāi)發(fā)者在Xilinx處理系統(tǒng)上定制、構(gòu)建和調(diào)配嵌入式Linux解決方案,。

3.1 系統(tǒng)頂層配置

    基于Zynq工程模板創(chuàng)建PetaLinux工程,，導(dǎo)入固件工程生成的硬件描述文件并進(jìn)行系統(tǒng)頂層配置，系統(tǒng)頂層配置項(xiàng)包括Linux組件選擇、自動(dòng)配置項(xiàng)設(shè)置,、子系統(tǒng)硬件自動(dòng)配置項(xiàng)設(shè)置,、內(nèi)核引導(dǎo)參數(shù)設(shè)置、U-Boot設(shè)置,、鏡像文件打包配置等,。其中子系統(tǒng)硬件自動(dòng)配置項(xiàng)設(shè)置為必選項(xiàng)，允許自定義系統(tǒng)范圍的硬件設(shè)置,，如：以太網(wǎng)卡設(shè)置,、Flash設(shè)置、串口設(shè)置,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock,，RTC)芯片設(shè)置、SD卡設(shè)置等,。Petalinux工具將根據(jù)系統(tǒng)頂層配置解析硬件描述文件,，以便更新設(shè)備樹(shù)所需的硬件信息。

3.2 Linux內(nèi)核配置

    Linux內(nèi)核主要提供五大功能,，分別為虛擬文件系統(tǒng),、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、內(nèi)存管理,、進(jìn)程管理和設(shè)備管理,。Xilinx 提供了免費(fèi)的PetaLinux開(kāi)發(fā)工具，使開(kāi)發(fā)人員可以輕松在Zynq AP SoC上配置,、構(gòu)建和部署Linux系統(tǒng)及應(yīng)用,，提高軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。Linux內(nèi)核配置基于Linux 4.6.0內(nèi)核進(jìn)行,，主要包括USB串口驅(qū)動(dòng)配置、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)配置,、GSM和CDMA調(diào)制解調(diào)器的USB驅(qū)動(dòng)配置,、Xilinx-uartlite串口驅(qū)動(dòng)配置、DS18B20溫度傳感器驅(qū)動(dòng)配置,、GPIO支持等,。PetaLinux工程基于開(kāi)源的協(xié)作軟件Yocto創(chuàng)建。Yocto致力于創(chuàng)建可定制的嵌入式產(chǎn)品和統(tǒng)一嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn),，它提供了許多模板,、工具和方法，使得開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)心硬件體系,，避免許多重復(fù)工作,，從而提高開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。Linux內(nèi)核的更新以打補(bǔ)丁的方式實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核源碼的更新不影響已修改的系統(tǒng)配置項(xiàng),。

3.3 設(shè)備樹(shù)配置

    Linux內(nèi)核通過(guò)設(shè)備樹(shù)文件獲取板級(jí)硬件的細(xì)節(jié)信息從而加載設(shè)備驅(qū)動(dòng),。設(shè)備樹(shù)可以對(duì)硬件進(jìn)行規(guī)范化描述，支持多平臺(tái)內(nèi)核鏡像,，具備簡(jiǎn)化的板卡端口,，使用更少的平臺(tái)描述代碼以及更精簡(jiǎn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼^[11]。PetaLinux設(shè)備樹(shù)配置關(guān)聯(lián)文件主要有pcw.dtsi,、plnx_aarch64-system.dts,、system.dts、system-conf.dtsi,、system-top.dts,。這些文件統(tǒng)一由PetaLinux工程自動(dòng)生成，開(kāi)發(fā)者通過(guò)修改system-top.dts文件來(lái)滿足特定的系統(tǒng)需求,?；赯ynq-7000的小型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備網(wǎng)口調(diào)試、RTC時(shí)鐘支持,、溫濕度監(jiān)測(cè),、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｐ枰趕ystem-top.dts文件中進(jìn)行相應(yīng)節(jié)點(diǎn)信息的修改或添加新的硬件描述節(jié)點(diǎn),。例如在設(shè)備樹(shù)配置文件system-top.dts中添加RTC時(shí)鐘硬件描述信息及修改后的網(wǎng)卡芯片節(jié)點(diǎn)信息如下：

    &i2c0 {

    status = "okay";

    rtc@51 {

        compatible = "nxp,pcf8563";

        reg = <0x51>;

       };

  };

    &gem0 {

    compatible = "cdns,zynq-gem", "cdns,gem";

    status = "okay";

    phy-mode = "rgmii-id";

    xlnx,ptp-enet-clock = <0x69f6bcb>;

    local-mac-address = [00 0a 35 00 1e 53];

    };

4 BSP總體測(cè)試

    在基于XC7Z010的硬件平臺(tái)中對(duì)BSP進(jìn)行總體測(cè)試,，設(shè)備上電后，處理器自動(dòng)執(zhí)行片內(nèi)BootROM中的代碼,，初始化CPU和一些外圍設(shè)備,，以便讀取燒錄在NOR Flash中的BOOT.BIN引導(dǎo)鏡像，BOOT.BIN引導(dǎo)鏡像加載存儲(chǔ)在eMMC上image.ub到DDR3中運(yùn)行,。然后,，文件系統(tǒng)中的mystartup.sh腳本啟動(dòng)存儲(chǔ)在eMMC中的系統(tǒng)初始化腳本文件，執(zhí)行系統(tǒng)初始化配置,。PetaLinux系統(tǒng)部分啟動(dòng)信息如圖3所示,。

    圖3(a)為PL部分?jǐn)U展的AXI UART Lite模塊注冊(cè)加載信息，在Linux下作為標(biāo)準(zhǔn)串口分別對(duì)應(yīng)設(shè)備文件描述符ttyUL1,、ttyUL2及ttyUL3,。圖3(b)為內(nèi)存技術(shù)設(shè)備（Memory Technology Device，MTD）驅(qū)動(dòng)加載信息,，MTD是用于訪問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)的Linux的子系統(tǒng),，此處表示NOR Flash存儲(chǔ)器，共創(chuàng)建了boot,、bootenv,、kernel以及spare 4個(gè)MTD子分區(qū)，其中spare分區(qū)為空閑分區(qū)，可用于燒錄設(shè)備唯一序列號(hào),。圖3(c)為GSM模塊USB接口連接檢測(cè)信息及網(wǎng)口芯片啟動(dòng)狀態(tài)信息,，其中GSM模塊對(duì)應(yīng)Linux系統(tǒng)下的設(shè)備文件描述符ttyUSB0、ttyUSB1,、ttyUSB2,、ttyUSB3及ttyUSB4。

5 結(jié)論

    本文實(shí)現(xiàn)一種面向自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的BSP設(shè)計(jì)方法,，并完成了面向小型微型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的BSP設(shè)計(jì)與實(shí)踐,。用于評(píng)測(cè)BSP功能及性能的硬件平臺(tái)選用Xilinx Zynq XC7Z010芯片作為硬件系統(tǒng)主控制器，BSP部分針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能在嵌入式Linux系統(tǒng)中添加了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng),，可充分滿足工業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求,。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該BSP具有開(kāi)發(fā)便捷,、通用性強(qiáng),、便于進(jìn)行功能擴(kuò)展和Linux內(nèi)核升級(jí)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),，驗(yàn)證了基于Zynq-7000的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)BSP設(shè)計(jì)的可行性與正確性,，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的BSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有一定的參考價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。由于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能日益復(fù)雜,，該BSP設(shè)計(jì)仍需在實(shí)踐中不斷進(jìn)行完善,。

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作者信息:

宋  凱1,，2,，高  寒1，2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部,，北京100124,；2.北京工業(yè)大學(xué) 北京市物聯(lián)網(wǎng)軟件與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100124）