基于SOPC下uClinux操作系统的移植及SD卡的读写.doc
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1、2012.4.24基于SOPC的SD卡读写及uClinux操作系统移植摘要随着微电子技术的迅猛发展, FPGA产品的逻辑单元越来越多,性能越来越高,单位成本和功耗向越来越低的方向发展,使得可编程片上系统SOPC(System On Programmable Chip)设计成为必然趋势。美国Altera公司开发的基于SOPC技术的Nios II 嵌入式处理器,使设计者可以非常方便地使用SOPC Builder系统开发工具设计构造以处理器为基础的系统,针对自己的要求配置Nios II软核、Avalon总线及外围接口系统。应用与Nios II相关的集成开发平台和辅助开发工具,加快了Nios系统的设计
2、与验证环节的开发速度,对于嵌入式系统的产品开发和应用,具有广泛的价值和积极的意义。本文从软件和硬件两方面实现了SOPC 系统开发过程的相关模块。系统硬件控制平台的研究主要包括:基于NiosII 软核处理器的SOPC 系统模块的结构,具体系统模块主要包括CPU、SDRAM、UART、定时器及SD相关接口等,同时还包括片外模块,主要有SDRAM_PLL模块和延时模块;系统软件运行平台的研究主要包括:SD卡读写的驱动程序,在SD卡上进行的FAT32文件系统的构建,以及相关的中断控制函数,用于对SD卡中文件进行读写、选择确认等操作,同时还包括了uClinux 操作系统的移植,以及在uClinux操作系
3、统下简单的程序测试。关键字:SOPC;SD卡;uClinux; Abstract Electronic systems integration is increasing of Integrated circuit components with the Bureau of the rapid development of microelectronic technology,The rapid development of microdlectronic technology and the high integration IC,makes the chip more complexity
4、 with lower cost ever than befor.While FPGA is being developed in the direction which contents more and more logic elements,whth high performance,low cost and low power.So,SOPC technology becomes all inevitable trend.The Card SD with small size hiigh storage capacity.rewritable,low prices,as well as
5、 non-volatile and other characteristics have been widely used in mobile phones,digital cameras,MP3 players and other fields.Nios II microprocessor which is developed by Altera inc.based on SOPC technology is is a variable structure,the generalpurpose 32一bit RISC embedded processors.Designers Can eas
6、ily use SOPC Builde system development tool designed to construct processor-basedSystems,its own request for Nios II soft-core configuration,Avalon and the external bus interface system.Reflects the user-oriented,technology-oriented applications SOPC design,application and related Nios II integrated
7、 development platform for development tools and support to speed up the Nios system design and verification aspects of the development speed for embedded systems product development And the application of a wide range of values and positive.In this paper,particularly introduces a hardwaresoftware me
8、thodology which is based O Nios II,aombined with the characteristics of the experimental platform of resources,Construction on the Nios II softcore processor SD card operating system to read and write,achieves the operation of the SD card reading and writingKey Words:SOPC;SD Card;uClinux;目 录第1章 绪 论
9、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.1 课题研究背景1.2 论文的组织结构第2章 系统硬件设计部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2第一章 绪论1.1 SOPC系统介绍1.1.1 SOPC的概念SOC的设计以IP核为基础,以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的主要描述手段,并需要借助EAD工具。SOC从整个系统的角度出发,把处理机制、模型算法、芯片结构直到器件的设计紧密结合起来,在单个(或少数几个)芯片上实现整个系统的功能。1.1.2 与ASIC的SOC解决方案相比,
10、SOPC系统及其开发技术具有更多的特色和构成途径,目前SOPC系统有三种实现途径:(1) 基于FPGA嵌入口硬核的SOPC系统基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统是指在FPGA中预先植入处理器。目前最常用的嵌入式处理器大多是采用ARM32位知识产权处理器的器件。为了达到通用性,必须为常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专用的接口,但这样无疑会增加芯片的成本和功耗。将ARM或其它处理器以硬核的方式植入到FPGA中,利用FPGA的可编程逻辑资源,按照系统功能需求来添加接口功能模块,既能实现目标系统功能,又能降低系统的成本和功耗。这样FPGA灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机的结合在一起,高效的
11、实现SOPC系统。(2) 基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统目前采用嵌入软核的SOPC系统最有代表性的软核处理器就是Altera公司的Nios II核、Xilinx公司的MicroBlaze核。尤其是Nios核,具有更高性价比,用户可根据设计要求,利用Ouartus II和SOPC Builder,对Nios II及其外围系统进行构建,使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。只要FPGA的资源允许,Nios核在同一FPGA中被植入的数量没有限制;此外,可植入Nios核的Altera FPGA的系列几乎没有限制。采用嵌入IP软核的SOPC系统成功的解决了
12、将IP硬核直接嵌入FPGA所带来的不因知识产权费用导致器件价格的偏高;硬核的预先植入致使处理器结构的不可更改;无法通过裁减处理器硬件资源来降低成本;只有在特定的FPGA中使用硬核嵌入式系统等等。(3)基于HardCopy技术的SOPC系统通过强化SOPC工具的设计能力,在保持FPGA开发优势的前提下,引入ASIC的开发流程,从面对ASIC市场形成直接竞争,这就是Altera公司推出的HardCopy技术。HardCopy就是利用原有的FPGA开发工具,将成功实现于FPGA上的SOPC系统通过特定的技术直接向ASIC转化,HardCopy技术是一种全新的SOC级ASIC设计解决方案,即是将专用的
13、硅片设计和FPGA向专用集成电路自动迁移过程结合在一起的技术。首先利用Quartus II将系统模型成功实现于HardCopy FPAG上,然后帮助设计者把可编程解决方案无缝地迁移到低成本的ASIC上。这样HardCopy技术就把大容量FPGA的灵活性和ASIC的市场优势结合起来,实现对于有较大批量需求并对成本敏感的电子产品上,从而避开了直接设计ASIC的复杂,解决了传统ASIC设计中普遍存在的开发周期长、开发流程复杂、产品上市慢、一次性成功率低、设计软件工具繁多且昂贵等问题。(4)三种SOC方案的比较 表 1.1 三种方案比较 指标 基于ASICR的SOC 基于FPGA的SOC 基于Hard
14、Copy的SOC单片成本 低 较高 较低开发周期 长(20周) 短(10周) 较短(20周)开发成本 设计工程成本高 设计工程成本低 设计工程成本低 掩膜成本高 无掩膜 掩膜成本低 软件工具成本高 软件工具成本低 软件工具成本低一次投片情况 一次投片成功率低 可现场配置 一次投片成功率高集成技术 0.25um90um 0.25um90um 0.25um90um可重构性 不可重构 可重构 不可重构 1.1.3 掌握SOPC技术所需的基本技能基于SOPC的结构特点,SOPC系统开发对于设计者的知识范围有了更高的要求。除了必须了解基本的EDA软件,硬件描述语言和FPGA器件相关知识外,还必须熟悉计算
15、机组成与接口,汇编语言和C语言,DSP算法,数字通信,嵌入式系统开发,嵌入式操作系统,片上系统构建与测试等知识。1.2研究的目的与意义Altera公司开发的Nios II是基于SOPC技术的32位嵌入式处理器软核。与同类型产品相比,更能体现SOPC技术思想。其作为一种新技术,在国外已经有了比较广泛的应用,但是在国内使用Nios II处理器进行嵌入式设计的开发者很少,还处于起步阶段,没有得到广泛的关注和大规模应用,对于Nios II应用开发和研究还有大量工作需要我们去做。本课题从新技术学习应用和实验开发的角度入手,自主完成系统的硬件设计,在此硬件平台上从事基于Nios II的SOPC技术的研究与
16、应用,进行操作系统的移植,熟练掌握了其工作原理和系统知识,并在此基础上设计了基于Nios II的SD卡的读写驱动实现,通过具体的应用,论述其实用性及优势所在,这正是本课题的目的和论文的写作意义所在。1.3论文组织结构根据课题的任务要求,本文内容作如下安排:第一章: 介绍嵌入式SOPC相关概念及本论文研究的目的及意义;第二章: 介绍了与本实验相关的一些概念,主要包括SD卡的介绍、FAT32文件系统的介绍以及uCLinux操作系统的介绍等。第三章: 本章主要是系统的硬件设计部分,主要包括NiosII 软核处理器模块、SDRAM_PLL模块、延时等模块的介绍,以及它们之间的构建结构。第四章: 系统软
17、件方面的介绍。主要包括SD卡读写实验的相关介绍和uClinux操作系统移植两部分。第五章: 本实验的测试部分,包括SD卡读写测试和操作系统移植测试两部分。第二章 基本概念介绍2.1 SD卡介绍2.1.1 SD卡简介SD卡是基于flash的存储卡,SD卡的通信协议包括SD和SPI两类。SPI模式下,主机使用SPI总线访问卡。当今大部分微处理器本身都带有硬件SPI接口,使用微处理器的SPI接口访问SD卡很方便。微处理器在卡上电后的第一个复位命令就可以设置SPI模式,但在卡上电期间,其通信模式不能改为SD模式。2.1.2 SD卡特征 SD卡的形状如图2.1所示,引脚如表2.1所示。 图2.1 SD卡
18、形状 表2.1 SD卡的引脚定义 引脚 名称 类型 描述1 CD/DAT3 I/O/PP 卡的检查/数据线位32 CMD PP 命令/响应3 Vss1 S 电源地4 VDD S 电源5 CLK I 时钟6 Vss2 S 电源地7 DAT0 I/O/PP 数据线位08 DAT1 I/O/PP 数据线位19 DAT2 I/O/PP 数据线位2 SD卡设备总体架构,如图2.2: 图2.2 SD卡设备总体架构图2.2 FAT文件系统介绍2.2.1 文件系统简介文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构;即在磁盘上组织文件的方法。Windows 系列操作系统对磁盘文件的管理主要有FAT
19、 类文件系统和NTFS 文件系统两大类。FAT32 文件系统是微软FAT 类文件系统中的最高版本,是现今WINDOWS 下最常用的硬盘文件系统。2.2.2 磁盘空间的划分对于使用FAT32 文件系统的每个逻辑盘内部空间又可划分为三部分,依次是引导区(BOOT 区) 、文件分配表区(FAT 区) 、数据区(DA2TA 区) 。引导区和文件分配表区又合称为系统区,占据整个逻辑盘前端很小的空间,存放有关管理信息。数据区才是逻辑盘用来存放文件内容的。该区域以簇为分配单位来使用。2.2.3 FAT16 和FAT32比较 表2.2 FAT16、FAT32一簇的大小(扇区数/字节数) 卷容量(粗略值) FA
20、T16 FAT32 128M255M 4KB 4KB 266M511M 8KB 4KB 512M1023M 16KB 4KB 1G2G 32KB 4KB 2G8G 不采用 4KB 8G16G 不采用 8KB 1632G 不采用 16KB 32G以上 不采用 32KB2.3 uClinux相关介绍uclinux表示micro-control linux.即“微控制器领域中的Linux系统”,是Lineo公司的主打产品,同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU(Memory Management Unit)的嵌入式系统而设计的。它已经被
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