基于SoPC的嵌入式硬件平台系统设计详解

嵌 入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成，其发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算 法与软件的进步上。随着芯片制造技术的发展，嵌入式系统的结构也随之发生了重大变革，从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统，继而将可编 程逻辑PLD（Programmable Logic Device）技术引入到嵌入式系统设计中，进而又发展到SoC（System on Chip），最终将PLD与嵌入式处理器结合而成为SoPC（System on

嵌 入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四部分组成，其发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算 法与软件的进步上。随着芯片制造技术的发展，嵌入式系统的结构也随之发生了重大变革，从基于微处理器的嵌入式系统到基于微控制器的嵌入式系统，继而将可编 程逻辑PLD（Programmable Logic Device）技术引入到嵌入式系统设计中，进而又发展到SoC（System on Chip），最终将PLD与嵌入式处理器结合而成为SoPC（System onProgrammable Chip），使得SoPC成为嵌入式系统设计的一个发展趋势。

本文采用SoPC内嵌32位的软核处理器Nios，实现了一个UART串行口和以太网接口的转换器（以下简称转换器），并基于Microtronix公司针对Nios处理器移植的μClinux开发了应用程序．其系统结构如图l所示。

1 基于SoPC的嵌入式硬件平台构建

不同于基于处理器或控制器及SoC的嵌入式系统，基于SoPC的嵌入式系统具有可配置的特点，不会包括任何专用外设，而是可根据需要灵活地在一片FPGA中构造外设接口。

基 于SoPC的嵌入式系统主要由1片核心芯片SoPC和片外器件，以及一些相关的接口设备组成。本文所要实现的转换器采用Altera公司的Cyclone 芯片及外围电路组成，其中外围电路包括2片512 KB的SRAM、l片8MB的Flash、UART电子转换器和1片以太网控制器LAN91C111。系统电路框图如图2所示。

SoPC 芯片内嵌软核处理器Nios。在SoPC芯片中，除了CPU外，可配片上ROM、内部定时器、UART串行口、SRAM、Flash接口等系统部件。这些 部件均以可编程逻辑部件的形式实现，芯片内部部件结构图如图3所示。CPU和所有部件通过Avalon总线连接在一起。

SoPC 芯片内系统模块和Avalon总线模块均由SoPCBuilder工具自动生成，利用Qualtus II集成开发环境可实现芯片内的逻辑设计及其引脚定义。经编译生成后缀为.sof的硬件映像文件，通过ByteBlasterII线缆下载到目标板的 Cyclone芯片中，或将.sof文件转换成.flash文件，下载到目标板的Flash中。这样就完成了转换器的硬件设计。

2 基于μClinux的SoPC应用程序开发

应 用程序的开发可在硬件平台上直接进行，但需了解所有硬件部件的细节，并编写相应的驱动子程序，其软件设计难度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操作系 统的应用程序，其所有的硬件细节均对用户屏蔽。对硬件进行直接控制的底层驱动程序均封装在操作系统内，通过设备驱动程序接口来完成，用户只需在高层通过操 作系统所提供的系统调用进行编程。μClinux是针对控制领域的嵌入式Linux操作系统，适合如Nios处理器等不具备内存管理单元（MMU）的微处 理器／微控制器。基于操作系统进行开发，需将操作系统加载到硬件平台中，μClinux可以以部件的形式集成到SoPC系统中。

2.1 加载μClinux系统的步骤

将 μClinux加载到SoPC目标板上时需提供一个交叉编译环境，硬件要求具有一个串口的PC工作站、基于Nios处理器的SoPC目标板和 ByteBlasterMV线缆等。软件需求WindowsNTv4.0、Windows2000或WindowsXP、Altera Nios开发包NDK 3.0中所提供的Nios GNUPro工具、Ahera Nios开发包所提供的cygwin安装，以及Quartus II可编程逻辑开发工具V2.2等。

2.1.1 创建和装载内核映像

创建和装载μClinux映像文件在Linux DeveloperBash环境下进行，首先需按下列步骤配置和构建内核。

［Linux Developer］…μClinux／：cd linux

［Linux Developer］…linux／：make xconfig

［Linux Developer］…linux／：make clean

［Linux Developer］…1inux／：make dep

［Linux Developer］…linux／：make

［Linux Developer］…μClinux／：make linux.flash