基于FPGA的RTEMS嵌入式開發環境實現

【摘要】隨著物聯網技術的不斷發展，嵌入式科技得到更為廣泛的應用，其中FPGA和嵌入式操作系統的組合前景良好，它們的應用極大的改變了嵌入式開發的效率。為使得Nios II軟核和RTEMS嵌入式系統相結合，首先介紹了Nios II的軟件開發環境，然后詳細闡述如何在Nios II平臺下搭建RTEMS嵌入式開發環境。

【關鍵詞】嵌入式；Nios2；RTEMS

1.引言

隨著技術的不斷發展，嵌入式技術逐漸成為計算機技術的一個重要分支。由于嵌入式產品所運用場合多種多樣，不同應用場景對嵌入式實時響應、成本都有著不同的需求。嵌入式開發涉及硬件和軟件設計，其中硬件開發包括板級開發；而軟件開發則需要在硬件開發完成后才能開始，且與硬件有著緊密的關系。但FPGA的出現將徹底改變傳統嵌入式開發模式，使得嵌入式開發工程師可以像PC端軟件開發一樣開發嵌入式軟件，降低嵌入式開發的成本。

RTEMS（Real-Time Executive for Multiprocessor Systems）是一個開放源代碼的實時嵌入式操作系統，對各類主流的嵌入式平臺都有良好的支持，同時其也有著良好的開發軟件。目前無論是航空航天、軍工，還是民用領域RTEMS都有著極為廣泛的應用[1]。

Nios II由美國Altera公司推出的基于Nios的第二代32位RISC軟核，基于FPGA平臺，其性能可達200MIPS，是一款可定制的高性能嵌入式軟核，配合Altera官方提供的開發者套件，嵌入式工程師可以快捷、高效的進行硬件、軟件的開發。

2.基于Nios II的SOPC開發環境

2.1 Altera SOPC Builder

SOPC Builder是一個全自動的SOPC硬件開發環境，設計者可以通過Altera提供的IP宏選擇適合自己應用的外圍功能模塊，并進行內存基地址的分配、中斷請求線和內部總線的適配。與此同時，還可以通過HDL文件來自定義外設模塊[2]，比如DM9000A以太網控制器。SOPC Builder使得可以在短暫的時間內完成一個完整的硬件開發系統。

2.2 SOPC硬件系統

通過Altera提供的Quartus II和SOPC Builder可以快速自定應硬件系統，圖1是針對Altera颶風III代EP3C16Q器件定制的硬件系統nios2rtems示例圖。

硬件系統nios2rtems采用Nios II快速型軟核，為加快其運行速率，系統時鐘為100MHz，外圍模塊有jtag-uart、sdram、epcs flash、interval timer等，使用Avalon總線作為數據及控制總線。

2.3 SOPC軟件系統

通過使用Nios II IDE添加軟件工程，編譯即可生成與硬件相關聯的描述性文件，其中最為重要的是system.h文件以及HAL驅動。system.h文件提供nios2rtems硬件的描述，包含各個模塊的基址、模塊所使用的中斷號和中斷優先級及外設模塊的符號名[3]。它同SOPC Builder提供的各個外設模塊的寄存器描述構成了HAL庫的基礎，同時也是驅動開發的基礎。而HAL作為硬件抽象層，通過函數封裝為上層應用提供統一的調用API接口[4]。

3.RTEMS開發環境搭建

3.1 Nios II交叉編譯工具

有兩種方式完成交叉編譯工具的安裝，其一是通過官方提供的定制腳本來安裝；其二就是通過獲得各個組件的源代碼、補丁來手動編譯安裝。由于手動編譯安裝可能由于某個版本的錯誤選擇而使得編譯失敗，這里我們采用定制腳本來進行安裝。

3.1.1 設置

為獲得支持Nios II平臺的嵌入式開發環境，需要準備工具包的源碼和定制腳本，以及工程目錄。

首先，為nios2rtems設置工作目錄：

mkdir-p nios2rtems/rtems/src

然后，獲得RTEMS源碼構建套件，其大部分是由python所寫的腳本文件。由于托管在git倉庫，所以必須有git工具并通過下面代碼獲得工具套件源碼：

$ git clone git：//git.rtems.org/rtems-source-builder.git

3.1.2 檢查

RTEMS源碼構建套件為檢查編譯環境是否已經就緒提供了相應的工具sb-check：

$ source-builder/sb-check

RTEMS Source Builder environment is ok

顯示編譯環境已經準備就緒

3.1.3 編譯

源碼構建套件中提供了若干平臺的支持，在編譯之前可以通過sb-set-builder命令的list-bsets選項查看其支持的平臺。

$ ../source-builder/sb-set-builder--list-bsets

...

4.10/rtems-nios2.bset

4.11/rtems-nios2.bset

...

從輸出結果可以知道，RTEMS在4.10版本就已經支持nios2平臺了，這里我們選擇最新的4.11版本。通過如下命令可以開啟nios2平臺的交叉編譯工具的構建：

$ sb-set-builder--log=l-nios2.txt＼

--prefix=$HOME/nios2rtems/rtems/4.11＼

4.11/rtems-sparc

由于構建過程中需要對所缺文件進行在線的下載，整個過程可能持續非常長在$HOME/nios2rtems/rtems/4.11目錄下的bin/文件夾下可以看到已安裝的nios2-rtems4.11-gcc等工具。

3.2 BSP支持包構建

3.2.1 RTEMS BSP結構

RTEMS下關于nios2平臺的主要部分有：第一，CPU相關，該部分包含和CPU功能相關的代碼，主要涉及CPU上下文切換以及CPU中斷異常處理等代碼；第二，外設相關，該部分包含外設硬件的寄存器信息等和CPU內部功能相關功能代碼；第三，BSP相關，該部分包含硬件系統中外設相關代碼，例如console、timer以及硬件初始化等[5]。

3.2.2 Nios II BSP構建

Nios II的驅動實現較為簡單，對硬件的操作主要涉及對外設硬件所在地址的讀寫操作[6]。在RTEMS中添加Nios II支持可以分為以下三個步驟。

首先，構建cpu對Nios II支持，主要是提供CPU進程上下文切換和中斷異常處理相關代碼，具體需要實現以下功能：

1）_CPU_Context_switch（）以及_CPU_Context_restore（），函數主要功能用于保存和恢復當前上下文相關的寄存器值。

2）_exception_vector（），處理CPU異常函數，用于檢查硬件當前狀態，并根據異常類型跳轉至異常處理服務程序或者中斷處理程序中。

3）_Exception_Handler（），異常處理服務程序。

4）_ISR_Handler（），中斷服務程序。

5）其它輔助函數，例如中斷注冊、使能及禁止中斷等功能。

其次，添加外設對Nios II支持，主要是提供與CPU異常等相關的代碼，具體需要實現以下功能：

1）中斷的管理，包括中斷的注冊、中斷使能以及中斷禁止等功能，這是對cpu的進一步封裝（可選）

2）Timer和Clock的等驅動服務程序。

3）外圍設備的寄存器相關信息，都可以在SOPC Builder中找到，例如jtag-uart的寄存器信息可在altera_avalon_jtag_uart_regs.h文件中找到，將所有外設的寄存器相關頭文件信息放入c＼src＼lib＼libcpu目錄中。

4）添加其他可能需要的Cache操作相關代碼。

最后，添加BSP對Nios II支持，該部分以RTEMS中nios2_iss為模板，提供基本的驅動程序，一般包括以下基本內容：

1）Clock驅動，Timer驅動，jtag-uart驅動。這一部分代碼涉及對底層硬件的讀寫操作，非常依賴于Nios2eds生成的system.h文件及相關寄存器頭文件。

2）start.S及bspstart.c，操作系統啟動文件。文件start.S包含RTEMS的啟動代碼，包括初始化處理器和單板，為之后的C程序運行提供棧空間，使之可以進入bspstart.c進一步初始化BSP。

3）其他外設驅動，網絡驅動，攝像頭驅動等都在此處添加。

3.2.3 編譯下載

準備好Nios II的BSP之后既可以按照RTEMS官方提供的內核編譯流程編譯，之后即可編譯鏈接用戶應用程序。通過命令行的nios2-download即可實現程序下載。

4.結論

本文首先介紹了如何使用Quartus II、SOPC Builder工具進行系統開發的一般流程，并簡要分析NiosII硬件系統及其軟件系統的架構。接著詳細講述如何為RTEMS構建支持Nios II的板級支持包以及使用Nios2eds進行應用軟件的開發。全文從底層硬件到上層軟件，詳細描述了如何為基于NiosII軟核構建基于RTEMS的板級支持包。本文同時給出了基于Nios II軟核的RTEMS移植方法和實驗平臺構建的一般方法。

參考文獻

[1]RTEMS Steering Committee.RTEMS Home Page [J].2010.

[2]鄭建.基于NIOS2軟核CPU的嵌入式系統設計[A].第十三屆全國核電子學與核探測技術學術年會論文140集（下冊），2006：30-32.

[3]侯建軍.SOPC技術基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4]蔡偉綱.Nios II軟件架構解析[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[5]張娟，蘇海冰，蔣和松，王鵬.基于FPGA片上PowerPC的RTEMS移植分析[J].微計算機信息，2009（32）.

[6]訾國偉.基于軟核處理器的嵌入式操作系統的研究與應用[D].北京：北京交通大學，2008.

作者簡介：吳華中（1989—），男，中北大學儀器與電子學院碩士研究生在讀，研究方向：自動化測試與控制技術。