（信号与信息处理专业论文）基于fpga的嵌入式实时操作系统及tcpip移植.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断的 产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一 次又一次的革新。虽然a s i c 的成本很低，但设计周期长、投入费用高、风险较大、 而可编程逻辑器件设计灵活、功能强大、尤其是高密度现场可编程逻辑器件，其 设计性能已完全能与a s i c 媲美，而且由于f p g a 的逐步普及，其性能价格比已足 以与a s i c 抗衡。因此，f p g a 在嵌入式系统设计领域已占据着越来越重要的地位。 本文完成的是基于f p g a 的嵌入式系统设计，嵌入式系统设计包括c p u 的设 计，操作系统的研究以及协议栈的研究等。本文以s t r a t i x 系列的e p l $ 2 5 f 7 8 0 c 5 为基础构建了主要硬件平台，对8 0 5 1i pc o r e 进行改进，综合、仿真研究，以及 f p g a 硬件调试，l a c o s i i 操作系统的移植研究，t c p i p 协议栈的研究等。 本文首先介绍了嵌入式实时操作系统的相关概念及国内外发展现状，第二章 研究8 0 5 1i pc o r e 软核以及其主要特征，并进行改进研究，对8 0 5 1i pc o r e 进 行综合分析，仿真研究，包括存储器模块研究，运算单元模块研究，定时器模块 研究，串口模块以及并口模块研究。第三章主要是硬件平台的搭建，本文在基于 f p g a 的硬件平台上调试8 0 5 1i pc o r e 的各个模块，并对8 0 5 1i pc o r e 的中断机 制进行了调试研究，中断调试是本章节的重点及难点。第四章对g c o s i i 操作系 统进行移植研究以及调试，其中包括小模式下仿真堆栈的设计，用户堆栈的设计， 高优先级任务到低优先级任务之间的堆栈切换，低优先级任务的堆栈内容映象， 可重入函数的设计以及移植调试等。第五章是t c p i p 协议栈的移植，基于本文的 硬件平台以及上层系统的考虑，本文最后选用的t c p i p 协议栈是u i p 协议栈，网 络接口层采用的是s l i p 协议。网络接口层的设计，包括数据帧的发送，接收以及 封装等。 该系统不仅可以广泛应用于工业控制领域，实现工业监控系统的网络化，经 过进一步开发，在仪器仪表、智能小区等领域也有广泛的应用前景和推广价值。 关键字：8 0 5 1i pc o r e ，p c 0 s i i ，t c p i p ，s l i p a b s l r a c t a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i sa l l a p l i c a t i o n o r i e n t e d a n d t e c h n o l o g y - i n t e n s i v e , c a p i t a l - i n t e n s i v e ，h i g h l yd e c e n t r a l i z e d ，n o n m o n o p o l i s t i ci n d u s t r i e s w i t hv a r i o u sa r e a s o fd i v e r s i f i c a t i o no fa p p l i c a t i o n s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dc h i pd e s i g nt e c h n o l o g yi s a l s oe x p e r i e n c i n go n ea f t e ra n o t h e ri n n o v a t i o n a l t h o u g ht h ec o s t so f a s i cl o w ，b u tt h e d e s i g nc y c l el e n g t h ，h i g hi n p u tc o s t s ，h i g hr i s k ，a n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ed e s i g n f l e x i b l ea n dp o w e r f u l ，e s p e c i a l l yh i g h - d e n s i t yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，i t s p e r f o r m a n c eh a sb e e ne n o u g ht oc o n t e n dw i mt h ea s i c t h e r f o r e ，f p g ai nt h ef i e l do f e m b e d d e ds y s t e md e s i g nh a so c c u p i e da l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp o s i t i o n t h e p a p e rc o m p l e t e si se m b e d e d es y s t e md e s i g nb a s e do nt h ef p g a ，t h ed e s i g no f e m b e d d e ds y s t e mi n c l u d sc p ud e s i g n ，o p e r a t i n gs y s t e m r e s e a r c ha sw e l la sp r o t o c o l s t a c k r e s e a r c ha n ds oo n t h em a i n p l a t f o r m c o n s t r u c t e di nt h i s p a p e r i s e p1 $ 2 5 f 7 8 0 c 5s e r i e so fs t r a t i x t h em a i nw o r kw h i c hc o m p l e ti nt h i sp a p e ri sc a r r i e d o nt h es y n t h e s i so f8 0 51i pc o r e , t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho n8 0 51i pc o r e ，t h er e s e a r c ho f l a c o s - i it r a n s p l a n ta n dt c p i pp r o t o c o ls t a c kt r a n s p l a n t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m sr e l a t e d c o n c e p t i o na n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o ni nd o m e s t i ca n df o r e i g n t h es e c o n d c h a p t e rd i s c u s s e st h em a i nf e a t u r e so f8 0 5 1i pc o r e ，a n dc o n d u c t st h ei n p r o v e m e n t r e s e a r c ho n8 0 51i pc o r e t h e ni ts y n t h e s i s8 0 51 i pc o r e ，c a r r i e so nt h es i m u l a t i o n r e s e a r c h ，i n c l u d i n gm e m o r ym o d u l er e s e a r c h ，a r i t h m e t i c a lu n i tr e s e a r c h ，t i m e rm o d u l e r e s e a r c h ，s e r i a lp o r ta n dp a r a l l e lm o d u l er e s e a r c h t h et h i r dp a r ti sm a i n l yt h eh a r d w a r e p l a t f o r mb u i l d i n g , t h i sp a p e rd e b u g se a c hm o d d eo f8 0 5 1i pc o r eb a s e do nt h ef p g a h a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dh a sc o n d u c t e dt h ed e b u g g i n gt o8 0 51i p c o r e i n t e r r u p t m e c h a n i s mw h i c hi st h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l t yi nt h i sc h a p t e r t h ef o u r t hp a r tc a r r i e s o nr e s e a r c ho n t c o s i it r a n s p l a n ta sw e l la sd e b u g g i n g ，w h i c hi n c l u d st h ed e s i g no f s i m u l a t i o ns t a c ka n db s e rs t a c ki ns m a l lm o d e ，a n dh i g h - p r i o r i t yt a s k st ol o w - p r i o t y t a s k ss w i t c h i n gb e t w e e nt h es t a c k s , a sw e l la st h es t a c ko f r e e n t r a n tf u n c t i o nd e s i g na n d 缸弛s p l a l l td e b u g g i n g f i n a l l y ，t h ep a p e rc a r r i e so nr e s e a r c ho n 缸姐s p l a n t a t i o no f t c p p a b s t r a c t p r o t o c o ls t a c k ，b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fh a r d w a r ep l a t f o r ma sw e l la su p p e r s y s t e m ，t h eu i pp r o t o c o lo f t h et c p i pp r o t o c o ls t a c kh a sb e e ns e l e c t e di nt h i sp a p e r i n t h en e t w o r ki n t e r f a c el a y e r ，t h ep a p e rs e l e c ts l i pp r o t o c o l ，t h ed e s i g no fw h i c hi n c l u d s t h es e n d i n go fd a t af r a m e s ，t h er e c e i v i n go fd a t af r a m e sa n dt h ep a c k a g i n g t h i ss y s t e mc a l ln o to n l yw i d e l ya p p l yi ni n d u s t r i a l c o n t r o l ，i n d u s t r ym o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r k ，a n da f t e rf u r t h e rd e v e l o p s ，i ni n s t r u m e n t a t i o n i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , a n do t h e rf i e l d sh a vw i d ea p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o nv a l u e k e y w o r d ：8 0 51i pc o r e ，l x c o s - i i ，t c p i p ，s l i p i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 薹凰趣日期：2 7 年月乏日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕凰癣导师签名：叁鱼强建 e t 期：c ) 一a 萝年月| b 第一章弓f 言 1 1 课题背景及研究意义 第一章引言 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 件硬件可裁剪的专用计算机系统。它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不 断创新的知识集成系统f l 】。 1 1 1 课题背景 本文首先来回顾一下嵌入式系统的历史。1 9 8 7 年到1 9 9 7 年的十年是a s i c 风 行的十年，而后的十年，也就是1 9 9 7 年到2 0 0 7 年是现场可编程器件的大好时光， 制造标准化但应用定制化是这个阶段的明显特征，而2 0 0 7 年后，用户可重构和可 自动配置的s o c 和s i p 将成为下一个嵌入式系统核心技术发展阶段的主流。 图1 1 是我国科学家许居衍发表的徐氏循环以及日本科学家牧本次夫的牧本 浪潮总结和预测了嵌入式系统核心技术的发展规律。 标 准 化 软可编程 m c u m 咿u f p g a 硬可编程即+ + 仍d l h d l 软硬可编程 现场可编程 f p g a 0 0 7 蓖 9 7 7 笠 1 9 8 7 隼a s c 广9 9 7 0 0 4 年鼍暑蓍紫 图1 - i 许氏循环图 通过这张图不难看出应用微电子技术成果之上的嵌入式系统的演进过程。历 史上的嵌入式系统硬件规模很大，特别是多c p u 容错系统的硬件设计和软件调试 都是很复杂的技术工作，随着无止境的应用需求的发展，嵌入式系统的小型化， 电子科技火学硕士学位论文 对功能、可靠性、成本以及功耗的更严格要求以及对嵌入式系统智能化趋势的追 求，现场可编程与可重构性变得非常重要。 1 9 7 7 年到1 9 8 7 年的十年是嵌入式系统微处理器时代，嵌入式系统通过对微处 理器和微控制器编程来实现板级的功能，随着时代的发展和科学的进步，软编程 已经渐渐不能适应嵌入式系统对于板级功能实现的要求，于是，就出现了硬编程 这一概念。所谓硬编程就是指将事先描述好的h d l 语言程序写入到芯片内部，实 现板级的功能，也就是常说的可编程逻辑器件f p g a 。 通过徐氏循环循环，不难发现一个时间规律，那就是每隔十年就会有一种新 的嵌入式工程技术得到快速发展和普及应用。2 0 0 3 年以前，业界更多强调的是在 嵌入式系统中基于f p g a 的可编程性，2 0 0 4 年，在嵌入式系统原有硬件的基础上， 在f p g a 中加入了软核处理器，使得f p g a 具有软件可编程性。 当今嵌入式系统对软硬双可编程提出了需求，软核进入f p g a 成为了时代的 需求，因此，嵌入式系统技术也随着进入了软核时代。就目前而言，f p g a 的利用 率已经超过了9 0 ，应用f p g a 的产品也广泛的出现在日常生活中，如p d p l c d 电视，投影仪，d v d 等等。 此外，手持设备、工业和医疗设备以及汽车电子领域也都是f p g a 可以大展 拳脚的应用领域。而如何实现f p g a 的高利用率也就成为了目前嵌入式系统的一 个焦点问题。就目前而言，可以从三个方面实现f p g a 的高利用率。( 1 ) 工艺上 的创新，通过采用7 到1 0 层的金属层大大提高了f p g a 的利用率和布线成功率。 ( 2 ) 结构上的创新，通过灵活的内部可配置功能模块和在f p g a 中不断完善f o 、 d s p 和存储器等功能提高性能，( 3 ) e d a 设计平台的创新，使得f p g a 设计学习 的门槛大为降低，更具有可用性。这就是所谓的f p g a 的嵌入式系统。那当今工 业需怎样的f p g a 来支持嵌入式系统设计。主要有：( 1 ) 快速的f p g a 片上系统 开发。( 2 ) 集成的软、硬件开发( 3 ) 独立各f p g a 厂商并且支持多种体系结构( 4 ) 融合了元件级和系统级的设计( 5 ) 易学且低价，功能齐全，元件库完备的设计系 统，包括了i p 内核和c p u 仿真测试和d e b u g 开发平台。 而这正是我们所谓的基于f p g a 的嵌入式系统e d a 平台。基于这种需求， a l t i u m 公司于2 0 0 4 年开发并推出了称之为n e x a r2 0 0 4 的e d a 平台。该软件包含 多种设计导入方式，集成了v h d l 仿真和合成，包含了各种微处理器内核的大型 免费使用m 库，集成了嵌入式软件设计工具。改软件的推出对i c 设计普遍化有着 特别的意义。它提供了软硬件协同设计的e d a 平台，集设计，验证，测试综合于 一体，支持双屏c r t ，是基于p c b f p g a s o c 的e d a 工作站，为嵌入式系统多 2 第一章引言 c p u 核色汇集提供了实现手段，消除了p c b 设计中信号完整性、e m c 、来自不同 厂商的s m d 器件的封装、测试、订货、缺货等困扰，提升了效率，此外，它基于 f p g a 实现用户可重构的s o c 。 因此，n e x a r2 0 0 4 的推出很好的解决了目前我们对于f p g a 支持工具的需要。 它在很大程度上推动了f p g a 乃至整个嵌入式系统设计技术的发展。在f p g a 中 嵌入式系统设计工程师可以方便的使用基于s o c 设计中i p 重用的思想方法，进行 产品设计。通过使用高水平的嵌入式系统e d a 平台，从某种意义上来讲，f p g a 就像p c b 一样，可自由布线并实现一个嵌入式系统，过去常用的单片机和标准数 字逻辑电路( a s s p ) 可用存储在p c 硬盘中的p 库来替代，显然，没有e d a 工 具很难实现这样的嵌入式系统。 因此可以预见：传统的m c u 和a s s p 供应商市场份额将会下降，f p g a 会更 大规模的应用，数字处理方法将占据嵌入式系统的主导地位。而不断改进的f p g a 支持工具，使f p g a 开发速度得到了提升，特别是出现了基于f p g a 的嵌入式系 统e d a 平台，从普及意义上来讲，它的出现使基于f p g a 设计嵌入式系统成为可 能。就目前的趋势而言，嵌入式系统e d a 平台非常重要，目前的设计要求各种独 立的软件工具可以在一各无缝隙的平台上协同工作。而由于目前嵌入式系统软件 的开发速度跟不上硬件设计的速度，硬件电路设计跟不上半导体工艺的发展速度， 因此可以这样说，半导体工业通过优质的f p g a 把更多的应用设计空问和系统开 发时间留给了嵌入式系统设计者。嵌入式系统e d a 平台将变的必不可少，由此也 可以看到，未来将是一个嵌入式设计软核时代。 展望未来，s o c 已经成为嵌入式设计者的理想，而可自动配置的s o c s i p 也 将成为下一个1 0 年嵌入式系统的主流。软硬双编程将逐步取代不能适应技术发展 的硬编程，成为嵌入式系统设计的主要方式。而s o c 时代的到来也就意味着成千 上万的嵌入式系统工程师可以实现他们的梦想，将自己设计的板子变成芯片。而 这正式s o c 的含义：s y s t e mo i lc h i p 可以这么说，未来5 年大量产生的经过是以验 证的p 是为嵌入式系统进入软硬双编程的s o c 时代打下坚实的基础的必有之路。 s o c 设计技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，随着半导体技术的发展，i c 设计者 能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，s o c 正是在集成电路向集成系统转变 的大方向下产生的。s o c 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用方位广、，很难 给出一个准确的定义。从协议角度来说，它是信息系统核心的芯片集成，是将系 统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度来说，s o c 是一个微小型系统，如果 说中央处理器是大脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。 电子科技大学硕士学位论文 国内外学术界一般倾向于将s o c 定义为微处理器、模拟口核、数字i p 核和存 储器集成在单一芯片上。它拥有独立的处理器以及固定基础的软件，通常是客户 定制的，或是面向特定用途的标准产品。s o c 技术的一大发展趋势是基于平台的 开发，分享i p 核开发与系统集成成果，不断重整价值链在关注面积、延迟、功耗 的基础上，向成品率、可靠性、e m i 噪声、成本、易用性等转移，使系统集成能 力快速发展。s o c 设计的最大门槛是专门技术、口库、s o c 总线架构和嵌入式软 件支持，需要广泛的多功能口核将客户逻辑与之集成在以其的设计艺术，以满足 客户产品开发的需求。 同时许多第三方疋核工艺上由此可以得到快速发展，这些的成功要么是具有 独一无二的且极具价值的i p 核，要么是具有良好声誉的口库。s o c 设计者通过 重用经过证明了i p ，不仅利用了最新工艺技术优势，而且减少了开发周期和风险。 s o c 技术将引领新一代嵌入式处理器的技术发展，以嵌入式系统应用为核心，集 软，硬件于一体，并在系统集成中追求产品系统最大包容性，能成功实现多学科 的写作与融合。 s o c 设计技术为计算机专业人才介入i c 设计领域提供了一个机会。不仅在 s o c 芯片设计上需要较强的计算机体系结构背景知识，而且s o c 突出了软件开发 的比重，需要计算机专业人士的介入，需要提供良好的开发平台和嵌入式操作系 统。由此可见，无论是现在的f p g a 还是未来的客户定制性s o c ，i p 库都对嵌入 式设计有着极其重要的作用。在9 0 年代，s o c 基本上由1 个片上c p u + 逻辑+ i o 端口组成，而进入2 0 0 0 年后的第二代s o c 的重要特征则是包含了多个可配置处 理器的i o 端口。 下一代s o c 就是一个处理器数量可缩放的集合体，这种趋势主要体现字两个 方面：一个是每片芯片的处理器数量会以每年3 0 的速度递增，在下一个1 0 年内， 每片芯片的处理器数量会超过1 0 0 0 各，而在另一方面，芯片每面的可编程运算能 力也会以每年6 5 的速度递增。利用嵌入式系统e d a 平台在f p g a 上学习和时间 多c p u 核设计几乎和积累经验对培训千万名未来的e s 工程师是一种很现实的选 择。 有材料表明：世界芯片复杂度的年增长5 8 ，而i c 设计能力的年增长进仅为 2 0 ，由此看出，世界集成电路设计能力的增长远远跟不上芯片复杂度的增长速度， 这为集成电路设计产业提供了难得的发展机会。面对集成电路向s o c 的转型，我 国实现集成电路设计业跨越的一个历史基于正在来临。因此许多专家建议，我国 应优先发展芯片设计业，特别重视s o c 提供的发展机会。 4 第一章引言 嵌入式系统自其问世以来就移植受到广泛的关注，嵌入式系统的水平业在很 大程度上决定这全社会的科技水平。从过去一路走来，嵌入式系统经历了由模拟 向树立的演进过程，在未来的2 0 年内可能又将逐步演进为数模并存的情形。由最 初软件编程主宰的m p u 到以往的硬编程主宰的a s i c 时代直到今天的f p g a 时代， 可以说嵌入式系统设计在走过了一段相当长的岁月的同时，其核心技术沿着徐氏 循环的两边不断前行，设计平台业通过科技的进步不断完善自身。 随着即将到来的客户定制型s o c s i p 以及u 。s o c ，世界即将进入一个软硬双 编程的嵌入式系统时代。就目前而言，正处在一个硬编程向软硬双编程嵌入式系 统设计的过度时期，因此可以这么说，未来的世界即将是一个嵌入式系统设计的 软核时代。 1 1 2 研究意义 本文研究的是基于f p g a 的嵌入式系统设计，利用8 0 5 1i pc o r e 在f p g a 上 的移植作为嵌入式的硬件平台来研究嵌入式系统的设计。其主要研究意义在于： ( 1 ) 利用8 0 5 1i pc o r e 可以提高嵌入式通用性，因为f p g a 自带的m c u 通常都有自己的局限性，这些m c u 通常都需要相应厂商的配套开发工 具来开发，从而影响了通用性。 ( 2 ) 利用i pc o r e 作为研究的意义还在于i pc o r e 通常都具有灵活配置性， 其外围电路以及寄存器，存储器都可以根据相应的具体应用来做出修 改，况且i pc o r e 具有易于集成，在大的数据处理系统中这种易于集 成显得尤为重要。 ( 3 ) i p 软核还可以进行多处理器协同工作，单一的8 0 5 1 软核和a r m 7 相 比没有什么优越性，但由于软核的灵活配置、易于集成等使得它可以多 处理器协同工作，在多处理器协同工作下其性能就比a r m7 优越的多。 更不用说一般的硬件5 l 。所以可以多处理协同工作也是利用软核研究 的一个重要意义。 ( 4 ) 基于f p g a 的嵌入式系统设计为以后的片上系统( s o c ) 的开发奠定了 一个坚实的基础。片上系统是当今微电子技术的发展方向，而具有自主 只是产权的( 口) 的集成电路设计重用技术成为提高s o c 设计效率， 缩短设计周期的关键因素。传统应用电子工程师面对的是各种定制式集 成电路，而使用s o c 技术的电子系统设计工程师所面对的是一个巨大 5 电子科技大学硕士学位论文 的i p 库，所有设计工作都己i p 模块为基础。s o c 技术使应用电子系统 工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师。由此可见s o c 是 以i p 模块为基础的设计技术，i p 是s o c 应用的基础。 1 2 国内外研究现状 嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的i t 应用领域之一。嵌入式系统 用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源( 如处理器、存储器等) 非 常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电 的智能化，嵌入式更显重要。像平常常见到的手机、p d a 、电子字典、可视电话、 v c d d v d m p 3p l a y e r 、数字相机( d c ) 、数字摄像机( d 、u d i s k 、机项盒( s e tt o p b o x ) 、高清电视( h d t v ) 、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、 汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。 嵌入式系统是软硬结合的东西，所以下面本文就分别就硬件和软件两个方面来介 绍嵌入式系统国内外发展的情况。 硬件，随着微电子工艺水平的不断提高( i n t e l 现在的工艺水平是6 5 n m ，a m d 是9 0 n m ) ，m c m ( 多芯片合成) 肯定是一个发展方向【2 】，在一块芯片上集成了很多口 c o r e ，可以极大的提高处理器之间的信号传输速度和质量，同时可以减少外围器 件，优化设计，更适合小型化，同时从封装来说，b g a 封装等小封装的封装形式 然后必然大行其道。在这方面a c t e l 公司将1 6 b i t 与f p g a 结合，a l t e r a 将a r mc o r e 与f p g a 结合，t i 的o m a p 等系列都可以看成是在这个方向的探索，同时不可忽 视的是片上系统( s o c ) 的发展，也可以看着是这个方向的具体体现，c 8 0 5 f 系列 的芯片，m s p 等芯片现在的大量应用都是对这个发展方向的有力证明。从最近这几 年的数字电路发展的情况来看，数字电路基本上主导了整个电子行业的发展，所 以高性能的a d ，d a 成了沟通现实世界与嵌入式世界的重要桥梁。 软件方面，微软在p c 操作系统平台上基本是垄断的，当然对于嵌入式操作系 统，它也是虎视眈眈，w i n c e 等就是针对这个的，用户利用这个可以极大的缩短 开发周期，但是因为不开源，所以就影响了它的普及性。l i n u x 是一个当今国内外 特别流行的操作系统，因为它是完全开源的，基本上由爱好者来维护和开发，但 是因为它的门槛比较高，学起来不是很容易，这也限制了其在嵌入式操作系统方 面的发展。而本文所用到的 t c o s i i 则是一个现在很不错的选择，当今很多嵌入 式系统的入门都要从这个系统开始，这个系统也是一个开源的嵌入式操作系统， 6 第一章引言 它具体的特点和应用，在本文的后面会有更详细的介绍。 目前在嵌入式系统这个行业国内外都是人才稀缺。一方面，是因为这一领域 入门门槛较高，不仅要懂较底层软件( 例如操作系统级、驱动程序级软件) ，对软 件专业水平要求较高( 嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高) ，而且 必须懂得硬件的工作原理，所以非专业i t 人员很难进入这一领域；另一方面，是 因为这一领域较新，目前发展太快，很多软硬件技术出现时间不长或正在出现( 如 a r m 处理器、嵌入式操作系统、m p e g 技术、无线通信协议等) ，掌握这些新技 术的人当然很找。嵌入式人才稀缺，身价自然就高，越有经验价格就越高。其实 嵌入式人才稀少，根本原因可能是大多数人无条件接触，这需要相应的嵌入式开发 板和软件，另外需要有经验的人进行指导开发流程。这些都是导致国内外嵌入式 系统人才稀缺，发展缓慢的原因。从这个层面上来说，嵌入式系统的开发也是以 后国内外i t 行业发展的热点和重点，这也是本文选择这样一个课题的重要意义之 一6 1 3 本文主要工作 本文是基于f p g a 的嵌入式系统设计，嵌入式系统设计包括c p u 的设计，操 作系统的移植以及协议栈的移植三个部分。所以本文基于这样一个框架来整体设 计。其主要工作包括如下： ( 1 ) 提出了对8 0 5 1i pc o r e 改进设计，综合分析，仿真分析。 ( 2 ) 基于s t r a t i x 系列的e p l s 2 5 f 7 8 0 c 5 硬件平台，对8 0 5 1i pc o r e 进行板 级调试，中断机制调试。 ( 3 ) 移植此0 s i i 并调试移植成果。其中小模式下仿真堆栈的设计是移植的 一个创新点。 ( 4 ) 移植t c p i p 协议栈，本文采取了u l p 协议以及s l i p 协议作为这次协议 栈的主体。最后是整个协议群在w i n 3 2 平台的实现，这部分工作还没 有完成，有待继续努力完成。下图就是本文的总体框架图，最终实现的 结果就是图1 2 7 皇兰型堇奎堂堡主堂垡笙塞 1 4 论文结构 图1 - 2 系统架构图 本文共分五章，各章内容安排如下： 第一章介绍本文的研究背景及意义、国内外发展现状以及主要工作； 第二章 第三章 第四章 第五章 介绍8 0 5 1i pc o r e ，对8 0 5 1i pc o r e 进行改进设计，综合分析，仿 真分析； 基于s t r a t i x 系列的e p l $ 2 5 f 7 8 0 c 5 硬件平台，对8 0 5 1i pc o r e 进行 板级调试； 移植嵌入式操作系统此o s 一： 移植通信协议栈。 第二章8 0 5 1i p c o r e 的研究 第二章8 0 5 1i pc o r e 仿真分析 2 1 处理器平台选型 嵌入式系统设计包括三个方面：c p u 设计，操作系统设计以及通信协议栈的 设计，c p u 是嵌入式系统开发的首要考虑的问题，本课题选用的处理器平台是8 0 5 1 i pc o r e 。8 0 5 1i pc o r e 是用v h d l 硬件描述语言编写的一种开源软核，这个软 核是技术独立，结构清晰，而且很易进行调整，改变的v h d l 源码。自从自0 1 年 发布以来，不断在改进，功能在逐渐完善。本文是基于f p g a 的嵌入式实时操作 系统及t c p i p 移植，之所以选择8 0 5 1i pc o r e 作为处理器平台是基于以下几个 原因： ( 1 ) 8 0 5 1i pc o r e 采用的是数据总线和地址总线互分离的哈佛结构和二级 流线结构，从而大大的提高了指令的执行速度，所以可广泛的应用于 高速度、高性价比的微控制领域。 ( 2 ) 8 0 5 11 2c o r e 的设计框架是一个全同步的设计，所有的模块时钟都是 来自一个全局时钟。况且这个8 0 5 1i pc o r e 的指令构成也是和标准的 5 1 单片机指令是兼容的，所以不存在8 0 5 1i pc o r e 上运行的指令到标 准的5 1 硬件上不能运行的情况。 ( 3 ) 8 0 5 1i pc o r e 的设计是基于一个全新的架构，所以它的指令不同于硬 件5 1 指令，硬件5 1 指令每个机器周期包括1 2 个时钟周期，而在5 1 软核每个机器周期就1 个时钟周期，它对整个架构的优化使得其指令 要比一般的5 1 硬件单片机平均每个指令快1 到4 个时钟周期【4 1 。8 0 5 1i p c o r e 采用了相应的优化机制，速度比一般的单片机快多达1 0 倍左右。 ( 4 ) 8 0 5 1i pc o r e 具有灵活配置型，软核的定时器、计数器以及串口单元 的个数可以通过改变其中的参数来调整，从而实现不同环境下的不同 需求，而且用户可以通过设置软核中的特殊功能寄存器来激活定时器 计数器以及串口单元。 ( 5 ) 8 0 5 1i pc o r e 在f p g a 上易于集成，况且i pc o r e 可以多处理器协同 工作，这在大型的网络控制、数据运算处理等都显得尤为重要。 ( 6 ) 由于采用了并行的乘法单元从而优化了整个乘法指令，同理除法单元 9 电子科技大学硕士学位论文 也是采用了并行的除法单元从而优化了除法指令。对d a 调整指令软 核也采取了优化措施。 ( 7 )由于采用了数据总线和地址总线分离的哈佛结构，8 0 5 1 软核的并口也 是分为数据输出端口和输入端口，所以使得并口都是单向端口，不同 于硬件5 1 的双向端口。这也是软核实施流水线操作的基础。 ( 8 ) 8 0 5 1i pc o r 的并口3 不具备第二功能，在硬件5 1 中并口3 具有很多 第二功能。在软核中例如中断输入，外部定时器输入，串口输入输出 等都有单独的端口来实现，这也是8 0 5 1i pc o r 速度提高的一个原因。 图2 18 0 5 1 软核的总体框架图，图中描述了8 0 5 1 软核的顶层模块以及其子模 块，图中的顶层信号以及存储器都在图中有所展示，定时器计数器，串口单元等 用户都可以根据实际的需要进行调整。 c l k r e s e t m c s 吲删i 。一卯 t oi m c 8 0 5 1a l u _ rr卟 t li r x di m c 8 0 5 1t m r c t rp 。r a e 9 0 5 1 _ t m r e t r l n0i j 三。丁王可r丁王丁- i n l【l i p oi m c 8 0 51c o n t r o l p 1i p 2i p 3 一i hm c s o s t 骆n hhn m e 8 0 51 _ r a m m c 8 0 5 l _ r o m m c s 0 5 1 r a m x ( 1 2 8 x 8b i t )( 6 4 k x 8b i t )( 6 4 k s b i t ) m c 8 0 5 1 _ t o p 图2 - 18 0 5 1i p c o r e 的框架图 2 2 8 0 5 1i pc o r e 改进设计 8 0 5 1 软核是一个只有存储器框架的空i pc o r e ，存储器无具体的实体，所以 本文要做的就是给这个空的i pc o r e 添加存储器模块，再做仿真工作。 仿真i pc o r e 或者硬件调试i pc p r e 都要软核运行一段代码来进行测试，本 文采取上电复位后执行一段代码，来调试这个软核的运行状态。由于这个软核的 存储器模块是黑匣子，况且在板级调试的时候由于开发板的频率过高，所以全局 1 0 第二章8 0 5 1i p c o r e 的研究 时钟不能直接接到到这个开发板的晶振，所以就要做一些改进工作。基于这个出 发点，本文对i pc o r e 做出一些改进设计，这次软核改进过程中所作的工作有： 8 0 5 1i pc o r e 没有时钟来源，本文在分析整个软核基础上给软核加上一个锁 相环，通过锁相环电路来产生8 0 5 1 软核的全局时钟，还有就是板级调试过程由于 开发板的晶振频率过高( 8 0 m h z ) 【5 】，所以用锁相环电路来产生软核所需要的时钟 频率。接口要进行添加锁相环电路，在源代码中加上锁相环电路的实体。加入的 锁相环的实体如下： c o m p o n e n tc y c l o n e p u p o a ( i n c l k 0 ：i ns t d _ l o g i e ；p l li n p u t c 0：o u ts t d _ l o g i e ；p l lo u t p u t ) e n dc o m p o n e n t 经过添加锁相环电路，在顶层包文件描述中也必须做相应修改，附录代码1 就是软核包文件的修改。由于包文件中添加了新的模块以及新的信号，所以在顶 层文件中也要做相应的修改，附录代码2 就是在顶层文件中的修改。 经过对8 0 5 ii pc o r e 进行顶层模块和包文件的修改，就可在s y n p l i f y 里面进 行综合。综合的时候注意综合的顺序，首先要加载的是m c 8 0 5 1p v h d 文件，然后 在加载各个模块文件，加载各个模块文件时不能加载配置文件，最后加载顶层文 件m c 8 0 5 1t o p v h d 和m c 8 0 5 1 文件。_ t o p s t r u tv h d 本文分析这次综合的效果以及综合图中相关的端口信息。图2 2 就是这次综合 的顶层模块图。其它综合如m c 8 0 5 1c o r e 模块，运算单元模块m c 8 0 5 1a l u ，以及 控制模块m c 8 0 5 1c o n t r o l 。可参考附录图2 、图3 ，图4 ，附录图2 ，图3 ，图4 列 举了这次综合的详细信息。 从图2 2 中可以看处，这个软核主要有5 个大的模块m c 8 0 5 1c o r e 、 m c 8 0 5 1r o m 、m c 8 0 5 1r a m 、m c 8 0 5 1r a m x 、c y c l o n e p l l 。其中c y c l o n e p u 是锁相环 电路，这个电路输出的是整个电路的全局时钟，m c 8 0 5 1r o m ，m c 8 0 5 1r a m x 都是 6 4 k ，这些存储器模块都是空匣子，在仿真中要为里面填充内容。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 28 0 5 1 口c o r e 的顶层综合图 图2 - 2 中m c 8 0 5 1 一c o r e 是这个软核的核心，它包括4 个部分：定时器 m c 8 0 5 1 _ t m r c t r , 串口控制单元m c 8 0 5 1 一s i u 算法器单元，m c 8 0 5 1 一a l u ，控制单元 m c 8 0 5 1 _ e o n t r o l ( 这个模块又可以分为两个子模块( c o n t r o l m e m ，c o n t r o l f s m ，其 综合图见附录图4 ) 。 2 38 0 5 1i pc o r e 仿真研究 1 2 第二章8 0 5 1i p c o r e 的研究 这一节，本文借助综合图以及文档资料，编写汇编程序，对8 0 5 1i pc o r e 进 行仿真研究。具体方法是：在k e i lc 5 1 编译器中用汇编语言编写调试程序，通过 编译器生成1 6 迸制h e x 文件，然后由h e x 2 d u a l 把1 6 进制文件转换成2 进制文件， 将2 进制文件读写在m o d e l s i m 的存储器文件中，启动编译仿真就可以生成仿真波 形图。 2 3 1 8 0 5 1i pc o r er o m 仿真 图2 3 8 0 5 1i p c o r e 的r o m 综合图 图2 3 是r o m 的综合图，这个模块的输入端口包括c l o c k ，a d d r e s s ，输出端口 q ，这里需要注意一点，由于本文综合时采用的是软核的较早版本，所以这时r o m 的输出端口是q ，而在这次软件仿真中本文将存储器的端口都修改为和存储器相关 的名字，例如r o m 的输出端口q 就修改为r