基于FPGA的嵌入式Linux軟硬件設(shè)計

　　引言

　　FPGA是通過邏輯組合電路來實現(xiàn)各種功能的器件。由于FPGA內(nèi)部集成了大量的邏輯資源和可配置的I/O引腳，加上獨特的并行處理架構(gòu)，可以輕松實現(xiàn)同時對多個外部設(shè)備的配置和管理，以及內(nèi)外各種接口數(shù)據(jù)的傳輸。現(xiàn)在開發(fā)廠商又在FPGA 內(nèi)部加入了大量的DSP和Block RAM資源，非常適合圖像處理、數(shù)字信號處理等運算密集的應(yīng)用，因此在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但是由于FPGA 程序編寫的靈活性和功能的多樣性，使得它在一個復(fù)雜工程中對各個程序的使用調(diào)度、統(tǒng)籌管理上有很大的局限性，這樣就必須引入操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。Linux 系統(tǒng)則因為其良好的可裁減、可配置等特點在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 Linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級的應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等，同時Linux 是一個成熟的開源操作系統(tǒng)，有豐富的應(yīng)用資源，利用這些資源和強大的系統(tǒng)功能，用戶可以快速地開發(fā)基于嵌入式環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)。因此，結(jié)合FPGA和Linux雙方優(yōu)勢，可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計需求，量體裁衣，去除冗余。本文給出了一種基于Xilinx FPGA的嵌入式Linux操作系統(tǒng)解決方案。

　　基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　本設(shè)計是基于Xilinx XC4VFX40系列 FPGA，它內(nèi)部集成了兩個PowerPC405處理器, 4個10/100/1000M以太網(wǎng)MAC模塊，運行頻率300MHz時，具有420D-MIPS性能，能解決高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題，并且能解決通過網(wǎng)絡(luò)加載操作系統(tǒng)和交叉編譯等問題。它內(nèi)部有448個可配置I/O口，2592kb BlockRAM，能實現(xiàn)對各種外部設(shè)備的并行控制以及較多數(shù)據(jù)的存儲與處理。加載一個操作系統(tǒng)，一般需要幾十兆的內(nèi)存空間，F(xiàn)PGA內(nèi)部自帶的RAM空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，本設(shè)計在板上擴展了兩片MICRON公司的256Mb DDR內(nèi)存，作為上電時操作系統(tǒng)的加載和運行空間。現(xiàn)在主流的嵌入式操作系統(tǒng)，都需要搭建交叉編譯環(huán)境，把在主機上編寫好的可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板上，這就需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。由于XC4VFX40 自帶了以太網(wǎng)MAC模塊，只需要在外面添加個PHY芯片和帶隔離器的RJ45接口就能實現(xiàn)這個功能。本設(shè)計由于對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時性要求很高，因此采用Marvell公司的千兆以太網(wǎng)PHY芯片88E1111-RCJ。它能根據(jù)自身配置和主機設(shè)計，實現(xiàn)10/100/1000M自適應(yīng)傳輸，并且Linux本身對這個芯片提供了驅(qū)動支持，實現(xiàn)無縫鏈接。操作系統(tǒng)加載到DDR 中能快速有效的運行，但是掉電就會丟失，因此必須加入FLASH芯片，把系統(tǒng)文件存儲到外部FLASH中。加電時，F(xiàn)PGA把操作系統(tǒng)文件從FLASH讀入到 DDR中運行。FPGA設(shè)計當(dāng)然會擴展很多接口出來，利用自身并行處理的優(yōu)勢，控制很多外圍設(shè)備，本設(shè)計也不例外，擴展了8個通用的GPIO，2個PS/2接口，1個USB接口，1個AC97聲卡接口，1個 HotLink接口，以及4個RS422接口，同時擴展了兩個CPCI接口，引出了16位數(shù)據(jù)地址線和Ethernet控制線，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。