FPGA上的嵌入式系统设计实例-作者-赵峰-第8章教学教材

第8章快速点餐系统设计8.1案例简介8.2搭建MicroBlaze硬件平台8.3在EDK中配置项目软件环境8.4uClinux交叉编译环境的搭建8.5uClinux基本配置8.6添加网页素材8.7应用程序的验证在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187或者直接输入下面地址：8.1案例简介本案例实现了远程主机通过Web网络对终端开发板进行操作和控制，致力于为中高档酒店提供完善、个性化的点餐厨房处理系统(fast-ordersolution&service)，可以有效降低酒店餐厅的运营成本，提高对顾客点菜单的处理效率，以及提高顾客的满意度。1.功能描述在V2PRO开发板上进行基于Web的点餐系统的设计，完成了WebSERVER的功能，并且可以利用网络访问该服务器的内容。本设计具有实时性、高效性、信息传递稳定精确、误操作少和系统功耗低等性能特点，并具有友好的用户界面。(2)软件环境与工具包含如下：● EDK8.2i(不可选用其他版本或其升级版本，如8.2.03i)。● FedoraCore4(或RedHat9Linux)操作系统。●虚拟机VMware5.0.0build-13124。3.案例源码本案例所使用的源码请参考本书配套光盘/Chapter8/目录：/Doc：本案例的操作指导文档。/Src：源代码与Web网页所需资源，以及LED、DIP驱动源文件。/Tools：本案例中使用的工具，包含uClinux配置文件uclinux_v1_00_d文件夹、交叉工具链microblaze-elf-tools-20060213.tar.gz、uClinux源码包uClinux-dist-20060803.tar.bz2。8.2搭建MicroBlaze硬件平台本节主要介绍如何搭建MicroBlaze硬件平台。(1)启动XPS8.2i，软件系统弹出图8.2.1所示的对话框，选中“BaseSystemBuilderwizard(recommended)”，以新建一个MicroBlaze硬件平台，点击“OK”按钮，进入硬件平台搭建向导。图8.2.1配置向导(2)在弹出的对话框中，点击Browse，选择一个目标磁盘并建立一个工程文件夹，双击进入所建立的工程文件夹后，点击保存按钮，系统会自动为此项目命名为system.xmp。点击“OK”按钮，进入BSB欢迎对话框。(3)在欢迎对话框内，选择“Iwouldliketocreatanewdesign”项，然后点击“Next”按钮。(4)进入开发板选择对话框(见图8.2.2)后，进行如下的系统配置：Boardvendor:XilinxBoardname:XUPVirtex-ⅡProDevelopmentSystemBoardrevision:C设置完毕后点击“Next”按钮。图8.2.2开发板选择窗口注：如果“Boardname”没有出现如上所示选项，则需先安装XUPVirtex-ⅡPro开发板的支持包，具体操作如下：将Xilinx_XUP_V2P开发板支持包拷贝到EDK软件目录下的board\Xilinx\boards文件夹下。(5)进入处理器选择对话框(见图8.2.3)，选择“MicroBlaze”处理器，之后点击Next按钮。图8.2.3处理器选择窗口(6)进入MicroBlaze配置对话框，如图8.2.4所示，确认选择“NoCache”，并在后续步骤中选择DDR512MB作为内存，点击“Next”按钮。图8.2.4处理器配置窗口(7)进入I/O端口配置对话框(见图8.2.5)，选择打开“RS232_Uart_1”端口及以太网端口的中断服务，波特率设为“115200”，其他采用默认设置，然后点击“Next”按钮。图8.2.5I/O端口配置(一)(8)继续配置I/O端口，如图8.2.6所示，打开所有外设端口的中断服务，点击“Next”按钮。图8.2.6I/O端口配置(二)(9)由于本案例中使用了操作系统，因而需要添加定时器，如图8.2.7所示，点击“AddPeriperals”按钮，在弹出的对话框中选择“OPBTIMER”，并点击“OK”按钮。图8.2.7添加OPBTIMER(10)接下来的对话框(见图8.2.8)显示了Timer的配置参数，这里，我们只需要一个Timer，并把中断打开，最后点击“Next”按钮。图8.2.8配置OPBTIMER(11)在“SoftwareSetup”对话框中只选择“Memorytest”，并取消“Peripheralselftest”，如图8.2.9所示。图8.2.9测试程序选择(12)余下的设置均采用默认配置即可，直至出现图8.2.10所示的对话框，点击“Generate”按钮。图8.2.10硬件系统基本信息表(13)点击“Finish”按钮后，系统会弹出一个窗口，如图8.2.11所示，选择“StartusingPlatformStudio”。图8.2.11系统配置结束(14)此时系统会出现如图8.2.12所示的界面，即“XilinxPlatformStudio”的操作界面。图8.2.12XPS操作界面8.3在EDK中配置项目软件环境本节将介绍在EDK中配置项目软件环境的方法。(1)由于此次设计中，我们需要在MicroBlaze处理器上运行uClinux，因此首先应将uClinux的配置文件uclinux_v1_00_d文件夹拷贝到\EDK\sw\lib\bsp文件夹下，否则后续的配置工作将会遇到很多问题。(2)启动EDK，打开8.2节中搭建的MicroBlaze硬件系统工作目录文件夹下的system.xmp文件。(3)在打开MicroBlaze系统文件后，可以在EDK开发环境中看到相关的系统信息，如图8.3.1所示。如果切换到“BusInterface”，就可以看到MicroBlaze系统中各个模块与总线的连接情况。图8.3.1硬件平台系统信息(4)这里，我们需要对此系统做出如下修改：把窗口切换到Ports之后，打开“debug_module”，点击“Interrupt”中的Net选项，选择“debug_module_interrupt”，见图8.3.2。图8.3.2中断配置(一)(5)点开Ports选项下的“opb_inct­_0，”接着双击“LtoH”，见图8.3.3。图8.3.3中断配置(二)(6)此时系统会弹出图8.3.4所示的对话框。图8.3.4中断添加(一)(7)我们需要把“debug_module_Interrupt”加入到“ConnectedInterrupts”栏中，具体方法是选中“PotentialInterruptConnections”栏中的“debug_module_Interrupt”，点击加号，即可被加入到ConnectedInterrupts栏中，如图8.3.5所示。图8.3.5中断添加(二)(8)添加完成后，系统显示如图8.3.6所示。图8.3.6中断添加完成(9)进行软件平台配置时，点击“Software”菜单，启动“SoftwarePlatformSettings”，如图8.3.7所示。图8.3.7启动软件平台配置(10)系统弹出软件平台的配置窗口，如图8.3.8所示，可以看到共有四个可配置项：“SoftwarePlatform”、“OSandLibraries”、“Drivers”、“InterruptHandle”。图8.3.8软件平台配置窗口(11)对SoftwarePlatform进行配置时，点击“SoftwarePlatform”，如图8.3.9所示，在窗口右侧为可配置参数。在“OS&LibrarySettings”子窗口中，打开“OS”的下拉菜单，由于我们选择使用的操作系统为uClinux，因而这里选择“uclinux”。特别值得注意的是，如果步骤(1)没有完成，那么在点开OS的下拉菜单后，将没有uclinux选项。图8.3.9操作系统选择(12)完成上述配置后，选中“OSandLibrary”可配置选项(见图8.3.10)，以实现开发板对uClinux的BSP进行配置，包括FLASH与MEMORY以及输入/输出调试端口的配置，我们主要对以下参数进行修改：main_memory_bank：0main_memory：DDR_512M­B_64MB×64_rank2_row13_col10_col2_5stdin：RS232_Uart_1stdout：RS232_Uart_1图8.3.10操作系统与库配置(13) Drivers及InterruptHandle两项不需要进行配置，直接点击“OK”按钮，退出界面。至此，基于uClinux的MicroBlaze软件平台配置就完成了，下一步是根据软件平台的配置生成针对MicroBlaze处理器的BSP与库，使uClinux与开发板的信息交互成为可能。(14)进入EDK的“DeviceConfiguration”菜单，点击“UpdateBitstream”，XPS会进行硬件平台的生成和软件库的生成以及应用程序的编译，见图8.3.11。现在我们就可以在MicroBlaze硬件系统工作目录文件夹下的microblaze_0\libsrc\uclinux_v1_00_d文件夹内找到autoconfig.in文件了。图8.3.11更新Bitstream8.4uClinux交叉编译环境的搭建首先在Linux下建立uClinux交叉编译环境，这需要将交叉编译器microblaze-elf-tools和内核源码包uClinux-dist解压到指定的目录下。说明：以下均假定Windows主机的D盘下存有文件夹share，该文件夹下包括所需的交叉工具链和uClinux的压缩包。8.4.1建立共享文件夹本节中，我们需要建立一个可以在Windows与Linux之间共享的文件夹，通过虚拟机VMware来建立。从VMware 5开始，VMware支持直接将Windows下的文件夹映射到Linux的\mnt\hgfs目录下，从而实现Windows与Linux间的共享。(1)运行虚拟机VMware软件，点击“VM”菜单中的“Settings”选项，如图8.4.1所示。图8.4.1配置虚拟机(2)在出现的设置页面中选择“SharedFolders”，并确认以下内容：虚拟机中设置的Windows主机共享文件夹名称为“share”，指向包含交叉工具链和uClinux压缩包的文件夹“d:\share”，见图8.4.2。系统启动后，虚拟机会把此共享文件夹挂接到\mnt\hgfs中。在虚拟机的Linux系统中，用户可通过\mnt\hgfs\share访问到Windows文件夹。如图8.4.3所示，在“hgfs”下已经出现了“share”文件夹。图8.4.2配置共享目录图8.4.3查看共享目录8.4.2建立交叉编译环境(1)在虚拟机中以用户名root登录，在/home下建立名为embed的文件夹，然后在embed文件下建立microblaze-elf-tools文件夹，即输入以下命令：>cd/home>mkdirembed>cdembed>mkdirmicroblaze-elf-tools(2)从Windows主机中将交叉工具链(microblaze-elf-tools-20060213.tar.gz)复制到指定的目录(如d:\share)下，即在虚拟机终端中输入以下命令：>cp/mnt/hgfs/share/microblaze-elf-tools-20060213.tar.gz/home/embed/microblaze-elf-tools(3)解压交叉工具链的压缩包，输入以下命令：>tar-zxvfmicroblaze-elf-tools-20060213.tar.gz(4)打开当前用户的 .bash_profile文件，并修改/root目录下的该文件，即输入以下命令：>vi~/.bash_profile如图8.4.4所示，将MicroBlaze交叉工具链所在的路径加到PATH中，即输入以下命令：PATH=/home/embed/microblaze-elf-tools/bin:$PATH图8.4.4修改“bash_profile”(5)执行如下命令，使路径设置生效：>source~/.bash_profile再执行如下命令，检查路径设置是否已经生效：>echo$PATH(6)显示MicroBlaze交叉工具链的版本信息，即输入命令：>mb-gcc-v，将出现图8.4.5所示的画面，则说明MicroBlaze交叉工具链安装成功。图8.4.5uClinux的目录结构(7)在安装uClinux源码包时，首先将uClinux源码包(uClinux-dist-20060803.tar.bz2)复制到指定的目录(如/home/embed)下，命令如下：>cp/mnt/hgfs/share/uClinux-dist-20060803.tar.bz2/home/embed其次切换到用户目录/home/embed中，解压缩uClinux源码包，即使用以下命令：>cd/home/embed

>tar -jxvfuClinux-dist-20060803.tar.bz2再切换到uClinux目录下，即输入以下命令：>cduClinux-dist然后显示uClinux的目录结构，即输入以下命令：>ls -l这时会出现图8.4.6所示的画面，则说明uClinux源码包已经安装好了。图8.4.6MicroBlaze交叉工具链信息8.5uClinux基本配置(1)将FPGA工程文件夹下\microblaze_0\libsrc\uclinux_v1_00_d\autoconfig.in文件拷贝到uClinux-dist下的linux-2.4.x/arch/microblaze/platform/uclinux-auto目录下，命令如下：>cduClinux-dist>cp/mnt/hgfs/share/autoconfig.inlinux-2.4.x/arch/microblaze/platform/uclinux-auto(2)转换autoconfig.in的格式，即输入以下命令：>vilinux-2.4.x/arch/microblaze/platform/uclinux-auto/autoconfig.in出现vi的编辑界面后，在vi的命令行模式输入以下命令(见图8.5.1)：>:setff=unix，然后保存退出，即输入命令>:wq。这样，就完成了autoconfig.in的导入工作。图8.5.1修改文件格式(3)将驱动程序文件(/Chapter8/Src/下的xup_v2pro_led.c和xup_v2pro_dip.c)复制到指定的目录(linux-2.4.x/drivers/char)下，并切换到指定的目录。(4)修改当前目录(linux-2.4.x/drivers/char)下的config.in文件，加入以下语句(见图8.5.2)：tristate 'LED' CONFIG_DRIVER_LEDtristate 'DIP' CONFIG_DRIVER_DIP修改后，保存退出。图8.5.2修改config.in文件(5)修改当前目录(linux-2.4.x/drivers/char)下的Makefile文件，加入以下语句(见图8.5.3)：并保存退出。obj-$(CONFIG_DRIVER_DIP)+=xup_v2pro_dip.oobj-$(CONFIG_DRIVER_LED)+=xup_v2pro_led.o图8.5.3修改Makefile文件(6)确认当前目录是uClinux-dist，即输入以下命令：>pwd(7)清除以前的编译记录，即输入命令：>makemrproper–i，来彻底清除各种不稳定的中间编译结果。(8)启动uClinux图形配置界面，即输入命令：>makemenuconfig，将出现图8.5.4所示的界面。图8.5.4uClinux配置向导(9)进入“Vendor/ProductSelection”菜单，如图8.5.5所示，在“Vendor”中选择“Xilinx”，在“XilinxProducts”中选择“uclinux-auto”。然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.5目标板选择(10)在MainMenu中选择“Kernel/Library/DefaultsSelection”选项，进入子菜单。在“KernelVersion”中选择“linux-2.4.x”，在“LibcVersion”中选择“uClibc”；另外，需要选中“CustomizeKernelSettings”和“CustomizeVendor/UserSettings”两个选项，见图8.5.6。然后选择“Exit”，退回MainMenu。在MainMenu里选择退出，会出现图8.5.7所示的界面，选择“Yes”，保存新的Kernel配置。图8.5.6“Kernel/Library/DefaultsSelection”子菜单图8.5.7保存退出(11)期间会出现如图8.5.8所示的询问，“LED”和“DIP”均选择“m”，表示以module模块方式加载LED及DIP驱动。图8.5.8驱动加载方式选择(12)如图8.5.9所示，弹出Kernel个性化设置的界面。图8.5.9配置主菜单(13)在MainMenu里选择并进入“Processortypeandfeatures”子菜单后，选择“ConsoleonUARTLITE”和“Ethernetdriver”，如图8.5.10所示，然后退回MainMenu。图8.5.10处理器配置菜单(14)进入“MemoryTechnologyDevices(MTD)”子菜单，然后在“RAM/ROM/Flashchipdrivers”下取消“DetectflashchipsbyCommonFlashInterface(CFI)probe”与“DetectJEDECJESD21ccompatibleflashchips”项的选择，见图8.5.11和图8.5.12。图8.5.11MTD配置图8.5.12RAM/RAOM/FLASH配置(15)退回到MemoryTechnologyDevices(MTD)菜单，进入“Mappingdriversforchipaccess”子菜单，确认“GenericuClinuxRAM/ROMfilesystemsupport”项被选中，而其他选项均未被选中，见图8.5.13。然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.13uClinux文件系统配置(16)在MainMenu中，进入“Blockdevices”菜单，确认“InitialRAMdisk(initrd)support”选项没有被选中，见图8.5.14。然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.14“Blockdevices”配置(17)进入“FileSystems”菜单后，确认选择“/devfilesystemsupport(EXPERIMENTAL)”和它的子选项“Automaticallymountatboot”和“Debugdevfs”，见图8.5.15，然后退出此菜单。图8.5.15文件系统配置(18)在MainMenu里选择“CharacterDevices”选项，进入该子菜单后，选择“LED”和“DIP”的状态为“M”(编译器会将这个驱动编译成一个独立的内核module，可以在系统中动态加载和移除，即使用insmod加载/rmmod移除这个驱动模块)，见图8.5.16。图8.5.16字符型设备设置(19)在MainMenu中选择退出，将出现图8.5.17所示的界面，选择“Yes”，以保存设置。图8.5.17保存退出(20)如图8.5.18所示，出现Vendor/user定制的界面。图8.5.18配置主菜单(21)选择进入“CoreApplications”菜单，选择其中的“enableconsoleshell”项(见图8.5.19)，并取消“agetty”项的选择(见图8.5.20)，然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.19开启enableconsoleshell功能图8.5.20取消agetty(22)进入“FilesystemApplications”菜单，取消“flatfsd”项的选择，然后选择“Exit”，退回MainMenu，见图8.5.21。然后进入“NetworkApplications”菜单，取消“dhcpcd-new(2.012.4)”模块的选择，如图8.5.22所示，然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.21“FilesystemApplications”菜单图8.5.22网络服务配置

(23)进入“BusyBox”菜单，选择“ping”、“httpd”及其所有相关选项(见图8.5.23和图8.5.24)，然后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.23“BusyBox”配置(一)图8.5.24“BusyBox”配置(二)(24)回到MainMenu，进入“MiscellaneousApplications”子菜单内，选中“mknod”选项，然后选中“zmodemutils”及其子选项“lrz(NEW)”、“lsz(NEW)”，如图8.5.25和图8.5.26所示。最后选择“Exit”，退回MainMenu。图8.5.25“MiscellaneousApplications”配置(一)图8.5.26“MiscellaneousApplications”配置(二)(25)在MainMenu中选择退出，将出现图8.5.27所示的界面，选择“Yes”，以保存vendor/user设置。图8.5.27保存退出(26)进行uClinux内核的编译工作时，首先建立依赖关系，即输入以下命令：>makedep(27)对修改后的配置进行内核编译，即输入命令：>make，若无错误出现，编译完成后，会在当前的images目录下产生一个image.bin文件。8.6添加网页素材本节主要介绍如何添加网页素材。(1)将/Chapter8/Src/httpd下的所有文件复制到uClinux下的vendors/Xilinx/uclinux-auto/httpd文件夹下，命令如下：>cp–fr/mnt/hgfs/Data/.httpd/home/uClinux-dist/vendors/Xilinx/uclinux-auto/这些文件是网页素材文件，其制作涉及HTML代码制作和JAVA代码制作，有兴趣的读者可尝试自行修改。(2)在uClinux目录下新建一个文件夹Program，用于编译cgi程序，并将/Chapter8/Src/source中的getInfo.c、ledctl.c、priority.c文件复制到Program文件夹下。(3)在当前目录下创建一个Makefile文件，将以下内容输入这个文件内(或者从/Source目录拷贝到当前文件夹内)：ifndefROOTDIRROOTDIR=/home/uClinux-dist(此目录是ucLinux的解压目录)endifUCLINUX_BUILD_USER=1include$(ROOTDIR)/.configLINUXDIR=linux-2.4.xLINUX_CONFIG=$(ROOTDIR)/$(LINUXDIR)/.configinclude$(LINUX_CONFIG)LIBCDIR=$(CONFIG_LIBCDIR)include$(ROOTDIR)/config.archLDFLAGS= -Wl-elf2fltPATH:=$(ROOTDIR)/tools:$(PATH)EXEC=Priority.cgiEXEC_OBJS=Priority.oall:$(EXEC)$(EXEC):$(EXEC_OBJS) $(CC)$(LDFLAGS)-o$@$(EXEC_OBJS)$(LDLIBS)clean: -rm-f$(EXEC)*.elf*.gdb*.o%.o:%.c $(CC)-c$(CFLAGS)-I$(LINUXDIR)/include-o$@$<(4)将终端切换到Program文件夹，并执行make命令，生成Priority.cgi。(5)修改Makefile文件，具体如下：EXEC=ledctl.cgiEXEC_OBJS=ledctl.o重新执行make命令，生成ledctl.cgi文件。(6)再次修改Makefile文件，具体如下：EXEC=getInfo.cgiEXEC_OBJS=getInfo.o重新执行make命令，生成getInfo.cgi文件。(7)将三个 .cgi文件移动到vendors/Xilinx/uclinux-auto/httpd下。(8)将8.5节中linux-2.4.x/drivers/char下已经编译成功的驱动文件xup_v2pro_led.o和xup_v2pro_dip.o复制到vendors/Xilinx/uclinux-auto/httpd下。(9)按照8.5节中的步骤，从步骤(6)开始进行，生成新的image.bin文件。8.7应用程序的验证本节将介绍应用程序的验证步骤。(1)将新生成的image.bin、xup_v2pro_led.o和xup_v2pro_dip.o文件复制到EDK工程根目录下。(2)按照图8.7.1进行连接，使用一根机对机的交叉网络线来连接FPGA开发板和一台PC机(方法不限于此，比如如何使用HUB相连)。图8.7.1系统连接图(3)通过“开始”菜单→程序→附件→通讯→超级终端，打开超级终端，然后进行属性配置。如图8.7.2所示，一定要选对端口，每个串口在连接时使用情况可能都不一样；然后在“配置”信息中选择正确的波特率，否则不能看到正确输出，如图8.7.3所示。图8.7.2超级终端建立图8.7.3超级终端配置(4)在EDK中打开当前工程，并在“DeviceConfiguration”菜单中选择“DownloadBitstream”，将Bitstream下载到FPGA芯片上，如图8.7.4所示。此时，在终端上会看到如图8.7.5所示的信息。图8.7.4下载Bitstream图8.7.5终端显示信息