fpga是通过逻辑组合电路来实现各种功能的器件。由于fpga内部集成了大量的逻辑资源和可配置的i/o引脚，加上独特的并行处理架构，可以轻松实现同时对多个外部设备的配置和管理，以及内外各种接口数据的传输。现在开发厂商又在fpga 内部加入了大量的dsp和block ram资源，非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用，因此在这些领域取得了广泛的应用。但是由于fpga 程序编写的灵活性和功能的多样性，使得它在一个复杂工程中对各个程序的使用调度、统筹管理上有很大的局限性，这样就必须引入操作系统进行统一的管理。linux 系统则因为其良好的可裁减、可配置等特点在嵌入式领域应用广泛。 linux操作系统提供了许多系统级的应用，例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等，同时linux 是一个成熟的开源操作系统，有丰富的应用资源，利用这些资源和强大的系统功能，用户可以快速地开发基于嵌入式环境复杂系统。因此，结合fpga和linux双方优势，可以很好地满足嵌入式系统设计需求，量体裁衣，去除冗余。本文给出了一种基于xilinx fpga的嵌入式linux操作系统皇冠最新app版本的解决方案。
基于fpga的嵌入式系统的硬件设计
本设计是基于xilinx xc4vfx40系列 fpga，它内部集成了两个powerpc405处理器, 4个10/100/1000m以太网mac模块，运行频率300mhz时，具有420d-mips性能，能解决高速网络数据传输问题，并且能解决通过网络加载操作系统和交叉编译等问题。它内部有448个可配置i/o口，2592kb blockram，能实现对各种外部设备的并行控制以及较多数据的存储与处理。加载一个操作系统，一般需要几十兆的内存空间，fpga内部自带的ram空间是远远不够的，本设计在板上扩展了两片micron公司的256mb ddr内存，作为上电时操作系统的加载和运行空间。现在主流的嵌入式操作系统，都需要搭建交叉编译环境，把在主机上编写好的可执行文件下载到目标板上，这就需要实现网络数据的传输。由于xc4vfx40 自带了以太网mac模块，只需要在外面添加个phy芯片和带隔离器的rj45接口就能实现这个功能。本设计由于对网络数据实时性要求很高，因此采用marvell公司的千兆以太网phy芯片88e1111-rcj。它能根据自身配置和主机设计，实现10/100/1000m自适应传输，并且linux本身对这个芯片提供了驱动支持，实现无缝链接。操作系统加载到ddr 中能快速有效的运行，但是掉电就会丢失，因此必须加入flash芯片，把系统文件存储到外部flash中。加电时，fpga把操作系统文件从flash读入到 ddr中运行。fpga设计当然会扩展很多接口出来，利用自身并行处理的优势，控制很多外围设备，本设计也不例外，扩展了8个通用的gpio，2个ps/2接口，1个usb接口，1个ac97声卡接口，1个 hotlink接口，以及4个rs422接口，同时扩展了两个cpci接口，引出了16位数据地址线和ethernet控制线，整个系统的硬件框图如图1所示。
在进行电路设计时，是以fpga为核心，向外扩展各种设备，因此特别注意了fpga各个引脚的连接。由于ddr和phy芯片都需要提供 2.5v电压，因此和ddr、phy芯片连接引脚所在的bank需要提供 2.5v电压参考，并且不能接以lvttl或lvcmos为电压参考的引脚。重要快速的时钟信号必须接到全局时钟引脚上。由于fpga需要通过外部flash启动操作系统，需要并行配置，以减少加载时间，配置电路如图2所示。在ddr布线时，数据和地址线需要走等长线，数据线之间不能相差10mil,地址线要控制在20mil以内，时钟也需要走差分等长线，长度应大于地址线，ddr各个信号还需要47ω的并行端接，改善信号质量。千兆 phy 输出mdi信号也需要在顶层做差分等长，不然在进行1000m数据传输时很可能不稳定。ddr和phy需要完整的电源回路做参考，电源层划分时也要特别注意，其他电路做常规处理就可以了。
edk和ise软件设计
首先需要调用xilinx提供的 edk软件，对各个模块加入必要的ipcore，以便操作系统能正常调用这些器件的驱动操作他们。本设计采用的是edk10.1.2版本，ppc方面选用ppc405内核，频率设定在300mhz，同时需要添加中断输入引脚，以便响应以太网、串口等外部中断，其他使用默认设置。ddr控制器采用edk提供的multi-port-memory controller模块，需要设置ddr芯片厂商、大小和数据位数等，特别指出的是，要设置独立的两条plb总线和ppc连接，作为ppc的指令和数据总线。mac单元需要加入xps_ll_temac模块来控制，本设计需要设置phy 类型为gmii(千兆以太网)，同时要指定物理地址和收发fifo大小。flash单元需要加入xps_mch_emc模块，同时设置flash类型和读写时间。为了方便调试，还需要加入串口控制台模块，本设计使用的是uartlite模块，设置需要的波特率和校验类型。特别注意的是，系统还需要时钟管理模块(dcm)，提供各个模块需要的不同时钟，还要设置一段fpga内部ram区域，放置ppc的.boot文件。外部这些模块都通过plb总线和ppc通信，需要统一编址，一般把ddr 内存空间地址分配到0x0开始，整个系统的构建如图3所示。
本设计，除了在 edk中搭建了操作系统必须的各种模块后，还需要在ise中编写各个时序电路程序，因此把 edk中编写好的工程作为一个模块，加入到ise中，然后统一编译，这样生成了我们需要的完整功能的程序。特别指出的是，ppc405数据地址采用的是大端模式，接入到ise中时，需要把数据颠倒位置，如data[0：31]变为data[31:0]，才能正常读写。
linux操作系统的加载与烧写
加载linux操作系统需要利用edk软件提供的板级升级包(bsp)配置内核。bsp 包含了所选定处理器架构的属性文件以及相关硬件的驱动源文件。首先要在edk project option 中project peripheral respository选项下设置xilinx提供的 gen-mhs-devtree/edk_lib 库路径，然后在软件平台设置中选择dts模式，编译更新升级包，生成.dts配置文件。dts文件包含了所有模块地址分配，中断以及驱动信息，把他加入到linux 内核中，然后配置内核选项选择对应的处理器架构、所选硬件的驱动模块以及需要的其他内核模块，之后再对完成配置的内核进行编译，生成linux 的内核image 文件。生成内核image 文件之后，还需要生成系统运行所需要的根文件系统。根文件系统中包含了嵌入式linux系统的所有应用程序、库以及系统配置等相关文件。根文件系统中常用的程序和命令可利用开源软件busybox构造。构造完成之后，在busybox 生成的目录和文件的基础上再构造根文件系统的目录树，并添加相关设备文件和配置文件以及系统运行时需要的脚本文件, 从而形成最终的根文件系统，ramdisk.image。把他拷贝到内核中的../arch/powerpc/boot目录下，在linux2.6.x根目录下运行make zlmage. initrt，生成最终的系统文件。需要指出的是，在编译linux内核时，需要设置好交叉编译环境：首先安装eldk编译软件，然后在编辑自己的帐户目录下的 .bashrc (例如：/home/ppc/) 中加入下面内容:
cross_compile=ppc_4xx
$path=$path:/home/ ppc /powerpc/eldk/usr/bin:/home/ ppc /powerpc/eldk/binexport cross_compile path
保存，然后执行$source .bashrc
把生成的zlmage.initrd 文件通过 edk 软件下的xmd调试窗口，使用dow zlmage.initrd命令下载到ddr中，然后运行 run命令，就正常启动linux了。
程序下载到 ddr中，掉电后，数据就丢失了，不能保存和连续使用，因此要把操作系统烧写到flash，上电后让它能自动运行，掉电后也不会丢失。edk提供了专门的flash 烧写工具program flash memory，首先要把zlmage.initrd文件转换为flash能识别的.srec文件，需要在edk shell下运行下面命令：
$powerpc-eabi-objcopy –i elf32-powerpc –o srec zimage.initrd.srec
第一次烧写flash时需要把program flash memory中create flash bootlooder application 勾上，让系统自动生成bootlooder程序。操作系统烧写到flash中后，需要fpga在上电后自动从flash读取操作系统数据，然后自动运行，这几需要把刚刚生成的bootloadr_0工程中的.elf加入到.bit生成新的配置文件，使用edk下的updata bitstream命令就能实现。最后把生成的.mcs文件烧写到fpga prom中，上电后，系统就能自动运行了。
设计结果与分析
在linux系统正常加载后，我们设计一个程序，它通过以太网，从上位机获得数据，存入fpga内部blockram中，再在ise中编写程序，把获得的数据取出，产生频率可变的波形发生器，并回传发送的参数给上位机。
通过实验证明，在fpga加入操作系统后，能轻松实现网络数据的收发，并通过fpga自身的逻辑，产生我们需要的各种控制信号，做到了系统的统一调度和各个功能的并行处理，发挥了操作系统和fpga各自的优势。但是也发现，fpga下操作系统运行的频率不高，最多600mhz，中断响应间隔较长，大约3ms左右，系统上电启动时间较长，大约40s左右，这些都需要在今后设计中进一步完善和提升。
结语
本文介绍了基于fpga的嵌入式linux设计流程，从硬件设计到linux系统加载，再到应用程序运行整个过程，从中可以看出，该设计既发挥了fpga并行处理和多时序控制上的优势，也发挥了嵌入式linux系统调度和可裁剪性方面的优势，还提高了这个系统的稳定行，也减少了fpga 与外部高速总线连接的资源开销，二者的结合, 既满足了嵌入式应用按需定制、量体裁衣的需求, 又能开发出稳定而功能强大的嵌入式系统，在现在嵌入式系统开发中有很好的运用。
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