摘要：本文采用SoPC內嵌32位的軟核處理器Nios，實現了一個UART串行口和以太網接口的轉換器（以下簡稱轉換器），并基于Microtronix公司針對Nios處理器移植的μClinux開發了應用程序。
　　
　　嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用程序四部分組成，其發展主要體現在芯片技術的進步上，以及在芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。隨著芯片制造技術的發展，嵌入式系統的結構也隨之發生了重大變革，從基于微處理器的嵌入式系統到基于微控制器的嵌入式系統，繼而將可編程邏輯PLD（ProgrammableLogicDevice）技術引入到嵌入式系統設計中，進而又發展到SoC（SystemonChip），zui終將PLD與嵌入式處理器結合而成為SoPC（SystemonProgrammableChip），使得SoPC成為嵌入式系統設計的一個發展趨勢。
　　
　　本文采用SoPC內嵌32位的軟核處理器Nios，實現了一個UART串行口和以太網接口的轉換器（以下簡稱轉換器），并基于Microtronix公司針對Nios處理器移植的μClinux開發了應用程序。
　　
　　1、基于SoPC的嵌入式硬件平臺構建
　　
　　不同于基于處理器或控制器及SoC的嵌入式系統，基于SoPC的嵌入式系統具有可配置的特點，不會包括任何外設，而是可根據需要靈活地在一片FPGA中構造外設接口。
　　
　　基于SoPC的嵌入式系統主要由1片核心芯片SoPC和片外器件，以及一些相關的接口設備組成。本文所要實現的轉換器采用Altera公司的Cyclone芯片及外圍電路組成，其中外圍電路包括2片512KB的SRAM、l片8MB的Flash、UART電子轉換器和1片以太網控制器LAN91C111。
　　
　　SoPC芯片內嵌軟核處理器Nios。在SoPC芯片中，除了CPU外，可配片上ROM、內部定時器、UART串行口、SRAM、Flash接口等系統部件。這些部件均以可編程邏輯部件的形式實現，芯片內部部件結構圖如圖3所示。CPU和所有部件通過Avalon總線連接在一起。
　　
　　SoPC芯片內系統模塊和Avalon總線模塊均由SoPCBuilder工具自動生成，利用QualtusII集成開發環境可實現芯片內的邏輯設計及其引腳定義。經編譯生成后綴為.sof的硬件映像文件，通過ByteBlasterII線纜下載到目標板的Cyclone芯片中，或將.sof文件轉換成.flash文件，下載到目標板的Flash中。這樣就完成了轉換器的硬件設計。
　　
　　2、基于μClinux的SoPC應用程序開發
　　
　　應用程序的開發可在硬件平臺上直接進行，但需了解所有硬件部件的細節，并編寫相應的驅動子程序，其軟件設計難度及工作量大，且可移植性差。基于嵌入式操作系統的應用程序，其所有的硬件細節均對用戶屏蔽。對硬件進行直接控制的底層驅動程序均封裝在操作系統內，通過設備驅動程序接口來完成，用戶只需在高層通過操作系統所提供的系統調用進行編程。μClinux是針對控制領域的嵌入式Linux操作系統，適合如Nios處理器等不具備內存管理單元（MMU）的微處理器／微控制器。基于操作系統進行開發，需將操作系統加載到硬件平臺中，μClinux可以以部件的形式集成到SoPC系統中。
　　
　　2.1加載μClinux系統的步驟
　　
　　將μClinux加載到SoPC目標板上時需提供一個交叉編譯環境，硬件要求具有一個串口的PC工作站、基于Nios處理器的SoPC目標板和ByteBlasterMV線纜等。軟件需求WindowsNTv4.0、Windows2000或WindowsXP、AlteraNios開發包NDK3.0中所提供的NiosGNUPro工具、AheraNios開發包所提供的cygwin安裝，以及QuartusII可編程邏輯開發工具V2.2等。
　　
　　2.1.1創建和裝載內核映像
　　
　　創建和裝載μClinux映像文件在LinuxDeveloperBash環境下進行，首先需按下列步驟配置和構建內核。
　　
　　[LinuxDeveloper]…μClinux／：cdlinux
　　
　　[LinuxDeveloper]…linux／：makexconfig
　　
　　[LinuxDeveloper]…linux／：makeclean
　　
　　[LinuxDeveloper]…1inux／：makedep
　　
　　[LinuxDeveloper]…linux／：make
　　
　　[LinuxDeveloper]…μClinux／：makelinux.flash
　　
　　生成的linux.flash文件即為μClinux內核映像。當SoPC目標板加電，片內ROM中的GERMS監控程序運行后，在[LinuxDeveloper]…μClinux／：下鍵入nios-runlinux.flash，即下載linux.flash文件到目標板上，完成內核映像的加載。
　　
　　2.1.2創建和裝載根文件系統
　　
　　除了裝載內核外，還需裝載根文件系統。μClinux采用romfs文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少空間。
　　
　　在主機上Linux的target目錄表示在μClinux下的根（root）目錄。當前的腳本和工具可將target目錄轉換成映像文件（romdisk.flash），按如下步驟創建：
　　
　　[LinuxDeveloper]…μClinux／：makeclean_target
　　
　　[LinuxDeveloper]…μClinux／：makeromfs
　　
　　然后鍵入以下命令：
　　
　　[LinuxDeveloper]…μClinux／：nios-runromdisk.flash
　　
　　即將romdisk.flash文件下載到目標板上，完成μClinux的根文件系統的加載。
　　
　　2.1.3加載應用程序
　　
　　用戶應用程序可通過target目錄加載到根文件系統中，可根據需要重建romdisk映像。應用程序在userland目錄下，編譯生成運行文件后拷貝到target目錄樹中，并根據target目錄的內容創建romdisk.flash文件。新建一個應用程序，首先打開一個LinuxDeveloperBash窗，在userland目錄中創建一個目錄app，應用程序源文件存放在此目錄中，然后在userland／app／中建立一個makefile文件。
　　
　　Makefile內容如下所示，其中appfile為應用程序名。
　　
　　STACKSlZE=8192
　　
　　include..／..／Rules.mak
　　
　　all：appfile.relocbflt
　　
　　SOURCES=appfile.c
　　
　　install：
　　
　　$（ROMFSINST）appfile.reloebfh
　　
　　$（ROMFSDIR）／bin／appfile$（EXECSUFFIX）
　　
　　clean：
　　
　　rm-f*.[iods]coreappfileappfile.*elfappfile.*bflt
　　
　　運行make對應用程序進行編譯并修改userland／.eonfig和／userland／Makefile文件。在userland／.config文件中，增加一行CONFIG_MY_APP=y，在userland／Makefile文件中，增加dir_$（CONFIG_MY_APP）+=app，進入userland子目錄，運行make，即可將應用程序安裝到userland／bin中，并根據userland／.config文件中相應變量的指示將應用程序二進制拷貝到target目錄中。
　　
　　zui后，鍵入以下命令重新構建romdisk映像文件（romdisk.flash），并下載到目標板上。
　　
　　[LinuxDeveloper]…uClinux／：makeclean_target
　　
　　[LinuxDeveloper]…uClinux／：makeromfs
　　
　　[LinuxDeveloper]…uClinux／：nios-runromdisk.flash
　　
　　2.1.4運行μClinux
　　
　　完成μClinux內核及文件系統的裝載后，即可運行μClinux。鍵入g800000（800000為啟動代碼地址，在SoPCBuilder中設置），μClinux自動完成初始化過程，用戶輸入登錄用戶名nios，密碼μClinux，出現μClinux的提示符#，表示已進入μClinux運行環境。
　　
　　2.2轉換器應用程序的實現
　　
　　轉換器應用系統主要完成網絡接口和串行接口間的數據傳輸。μClinux操作系統中提供了網絡驅動程序和串口驅動程序，并提供了多線程的支持。
　　
　　轉換器應用系統中的串口收發數據和網絡口收發數據是異步進行的，可分別作為一個任務來對待，任務間是并發的，因此可采用多線程程序設計技術來實現多任務間的并發執行。
　　
　　在此應用系統中有4個任務，分別創建4個線程：網絡接收線程、網絡發送線程、串口接收線程和串口發送線程。這4個線程可并發執行.因網絡速度與串口速度存在著差異，需設置相應的緩沖區來對收發數據進行緩沖。在此應用系統中設置兩個環形緩沖區，如圖4所示，其中nctrv_uartsd_buf用于接收網絡數據，供存儲從網絡口接收的數據，然后串口從此緩沖區中取出數據發送。另一緩沖區uartrv_netsd_bur用于接收串口數據，然后網絡口取出此緩沖區中數據發送出去。
　　
　　線程間需實現相互通信和同步，共用緩沖區既要互斥執行又要同步執行，其操作遵循生產者和消費者模型。線程間的互斥操作采用互斥鎖（mu-tex）來實現。線程間的同步通過設置兩個指針來實現，一個是讀指針，另一個是寫指針，寫指針指向隊頭，初始化為0，讀指針指向隊尾，初始化為BUFSIZE-1。當寫數據時，比較讀寫指針是否相等，相同則寫線程阻塞；不相等，則寫入數據，然后將寫指針加1。當讀數據時，讀指針加1，然后比較讀寫指針是否相等，相等則讀線程阻塞；不相等，則讀出數據。
　　
　　網絡發送線程和串口接收線程間共用環形緩沖區uartrv_netsd_buf。串口發送線程和網絡接收線程共用環形緩沖區netrv_uartsd_buf。兩線程間的關系和處理類似網絡發送線程和串口接收線程。
　　
　　3、系統測試
　　
　　完成轉換器的軟硬件設計后，連接系統進行轉換器數據的傳輸測試。在PC機A上運行串口收發程序，而在PC機B上運行以太網收發程序，經測試后數據傳輸無誤。