基于Nios II的RTEMS嵌入式开发模式的搭建

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随着物联网技术的不断发展，嵌入式科技得到更为广泛的应用，其中FPGA和嵌入式操作系统的组合前景良好，它们的应用极大的改变了嵌入式开发的效率。为使得Nios II软核和RTEMS嵌入式系统相结合，首先介绍了Nios II的软件开发环境，然后详细阐述如何在Nios II平台下搭建RTEMS嵌入式开发环境。
       
        1.引言
       
        随着技术的不断发展，嵌入式技术逐渐成为计算机技术的一个重要分支。由于嵌入式产品所运用场合多种多样，不同应用场景对嵌入式实时响应、成本都有着不同的需求。嵌入式开发涉及硬件和软件设计，其中硬件开发包括板级开发；而软件开发则需要在硬件开发完成后才能开始，且与硬件有着紧密的关系。但FPGA的出现将彻底改变传统嵌入式开发模式，使得嵌入式开发工程师可以像PC端软件开发一样开发嵌入式软件，降低嵌入式开发的成本。
       
        RTEMS（Real - Time Executivefor Multiprocessor Systems）是一个开放源代码的实时嵌入式操作系统，对各类主流的嵌入式平台都有良好的支持，同时其也有着良好的开发软件。目前无论是航空航天、军工，还是民用领域RTEMS都有着极为广泛的应用。
       
        Nios II由美国Altera公司推出的基于Nios的第二代32位RISC软核，基于FPGA平台，其性能可达200MIPS，是一款可定制的高性能嵌入式软核，配合Altera官方提供的开发者套件，嵌入式工程师可以快捷、高效的进行硬件、软件的开发。
       
        2.基于Nios II的SOPC开发环境
       
        2.1 Altera SOPC Builder
       
        SOPC Builder是一个全自动的SOPC硬件开发环境，设计者可以通过Altera提供的IP宏选择适合自己应用的外围功能模块，并进行内存基地址的分配、中断请求线和内部总线的适配。与此同时，还可以通过HDL文件来自定义外设模块，比如DM9000A以太网控制器。SOPCBuilder使得可以在短暂的时间内完成一个完整的硬件开发系统。
       
        2.2 SOPC硬件系统
       
        通过Altera提供的Quartus II和SOPCBuilder可以快速自定应硬件系统，图1是针对Altera飓风III代EP3C16Q器件定制的硬件系统nios2rtems示例图。
       
       
        图1 nios2rtems示例图
       
        硬件系统nios2rtems采用Nios II快速型软核，为加快其运行速率，系统时钟为100MHz，外围模块有jtag-uart、sdram、epcsflash、interval timer等，使用Avalon总线作为数据及控制总线。
       
        2.3 SOPC软件系统
       
        通过使用Nios II IDE添加软件工程，编译即可生成与硬件相关联的描述性文件，其中最为重要的是system.h文件以及HAL驱动。
       
        system.h文件提供nios2rtems硬件的描述，包含各个模块的基址、模块所使用的中断号和中断优先级及外设模块的符号名。它同SOPCBuilder提供的各个外设模块的寄存器描述构成了HAL库的基础，同时也是驱动开发的基础。而HAL作为硬件抽象层，通过函数封装为上层应用提供统一的调用API接口。
       
        3.RTEMS开发环境搭建
       
        3.1 Nios II交叉编译工具
       
        有两种方式完成交叉编译工具的安装，其一是通过官方提供的定制脚本来安装；其二就是通过获得各个组件的源代码、补丁来手动编译安装。由于手动编译安装可能由于某个版本的错误选择而使得编译失败，这里我们采用定制脚本来进行安装。
       
        3.1.1设置
       
        为获得支持Nios II平台的嵌入式开发环境，需要准备工具包的源码和定制脚本，以及工程目录。
       
        首先，为nios2rtems设置工作目录：
       
        mkdir-p nios2rtems/rtems/src
       
        然后，获得RTEMS源码构建套件，其大部分是由python所写的脚本文件。由于托管在git仓库，所以必须有git工具并通过下面代码获得工具套件源码：
       
        ＄git clone git://git.rtems.org/rtemssource-builder.git
       
        3.1.2检查
       
        RTEMS源码构建套件为检查编译环境是否已经就绪提供了相应的工具sb-check：
       
        ＄source-builder/sb-check
       
        RTEMS Source Builder environment is ok
       
        显示编译环境已经准备就绪3.1.3编译
       
        源码构建套件中提供了若干平台的支持，在编译之前可以通过sb-set-builder命令的list-bsets选项查看其支持的平台。
       
        ＄/source-builder/sb-set-builder-list-bsets
       
        …
       
        4.10/rtems-nios2.bset
       
        4.11/rtems-nios2.bset
       
        …
       
        从输出结果可以知道，RTEMS在4.10版本就已经支持nios2平台了，这里我们选择最新的4.11版本。通过如下命令可以开启nios2平台的交叉编译工具的构建：
       
        ＄sb-set-builder-log=l-nios2.txt\-prefix=＄HOME/nios2rtems/rtems/4.11\4.11/rtems-sparc由于构建过程中需要对所缺文件进行在线的下载，整个过程可能持续非常长在＄HOME/nios2rtems/rtems/4.11目录下的bin/文件夹下可以看到已安装的nios2-rtems4.11-gcc等工具。
       
        3.2 BSP支持包构建
       
        3.2.1 RTEMS BSP结构
       
        RTEMS下关于nios2平台的主要部分有：第一，CPU相关，该部分包含和CPU功能相关的代码，主要涉及CPU上下文切换以及CPU中断异常处理等代码；第二，外设相关，该部分包含外设硬件的寄存器信息等和CPU内部功能相关功能代码；第三，BSP相关，该部分包含硬件系统中外设相关代码，例如console、timer以及硬件初始化等[5].
       
        3.2.2 Nios II BSP构建
       
        Nios II的驱动实现较为简单，对硬件的操作主要涉及对外设硬件所在地址的读写操作[6].
       
        在RTEMS中添加Nios II支持可以分为以下三个步骤。
       
        首先，构建cpu对Nios II支持，主要是提供CPU进程上下文切换和中断异常处理相关代码，具体需要实现以下功能：
       
        1）_CPU_Context_switch（）以及_CPU_Context_restore（），函数主要功能用于保存和恢复当前上下文相关的寄存器值。
       
        2）_exception_vector（），处理CPU异常函数，用于检查硬件当前状态，并根据异常类型跳转至异常处理服务程序或者中断处理程序中。
       
        3）_Exception_Handler（），异常处理服务程序。
       
        4）_ISR_Handler（），中断服务程序。
       
        5）其它辅助函数，例如中断注册、使能及禁止中断等功能。
       
        其次，添加外设对Nios II支持，主要是提供与CPU异常等相关的代码，具体需要实现以下功能：
       
        1）中断的管理，包括中断的注册、中断使能以及中断禁止等功能，这是对cpu的进一步封装（可选）。
       
        2）Timer和Clock的等驱动服务程序。
       
        3）外围设备的寄存器相关信息，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，将所有外设的寄存器相关头文件信息放入c\src\lib\libcpu目录中。
       
        4）添加其他可能需要的Cache操作相关代码。
       
        最后，添加BSP对Nios II支持，该部分以RTEMS中nios2_iss为模板，提供基本的驱动程序，一般包括以下基本内容：
       
        1）Clock驱动，Timer驱动，jtag-uart驱动。这一部分代码涉及对底层硬件的读写操作，非常依赖于Nios2eds生成的system.h文件及相关寄存器头文件。
       
        2）start.S及bspstart.c，操作系统启动文件。文件start.S包含RTEMS的启动代码，包括初始化处理器和单板，为之后的C程序运行提供栈空间，使之可以进入bspstart.c进一步初始化BSP.
       
        3）其他外设驱动，网络驱动，摄像头驱动等都在此处添加。
       
        3.2.3编译下载
       
        准备好Nios II的BSP之后既可以按照RTEMS官方提供的内核编译流程编译，之后即可编译链接用户应用程序。通过命令行的nios2-download即可实现程序下载。
       
        4.结论
       
        本文首先介绍了如何使用Quartus II、SOPC Builder工具进行系统开发的一般流程，并简要分析NiosII硬件系统及其软件系统的架构。接着详细讲述如何为RTEMS构建支持NiosII的板级支持包以及使用Nios2eds进行应用软件的开发。全文从底层硬件到上层软件，详细描述了如何为基于NiosII软核构建基于RTEMS的板级支持包。本文同时给出了基于Nios II软核的RTEMS移植方法和实验平台构建的一般方法。