0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展推動了信息化與工業(yè)化的快速融合。作為一種新型產(chǎn)業(yè)模式，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，IIoT)在過去幾年的研究和實踐中受到很大關(guān)注^[1-2]。IIoT的迅速發(fā)展使得自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)成為新的科技熱點。IIoT將傳感器網(wǎng)絡(luò)與自動化系統(tǒng)相結(jié)合，已被用于多個行業(yè)，以提高生產(chǎn)力和安全性^[3-4]。自動化監(jiān)測系統(tǒng)在IIoT感知層與應(yīng)用層間起著重要作用，隨著涉及的業(yè)務(wù)需求日益復(fù)雜，它的實現(xiàn)也變得越來越具挑戰(zhàn)性。在工業(yè)應(yīng)用場景中軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計對于自動化系統(tǒng)的高效運行非常重要。先進的軟件工程解決方案對自動化系統(tǒng)設(shè)計的效率影響很大^[5]。Xilinx Zynq AP SoC通過集成處理器的軟件可編程性與FPGA的硬件可編程性，實現(xiàn)了優(yōu)異的設(shè)計靈活性，可提供面向嵌入式領(lǐng)域可重配置的軟件工程解決方案，從而加速生產(chǎn)力。

    BSP在嵌入式系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，主要用來適配特定類型的硬件平臺。它通常包含了用來配置可定制電路的硬件比特流、引導(dǎo)加載操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)支持代碼以及主板上所有設(shè)備的驅(qū)動程序。BSP開發(fā)目的在于屏蔽底層硬件，提供操作系統(tǒng)與硬件驅(qū)動，使操作系統(tǒng)能穩(wěn)定運行于主板環(huán)境^[6-7]。由于傳統(tǒng)BSP設(shè)計存在不可或不易修改、難以復(fù)用以及設(shè)計流程復(fù)雜等問題，本文面向工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域中的自動化系統(tǒng)，采用Xilinx提供的Vivado集成開發(fā)套件及用于構(gòu)建和部署嵌入式系統(tǒng)到Xilinx全可編程處理器平臺的PetaLinux工具，完成了基于Zynq-7000 AP SoC的BSP設(shè)計與實現(xiàn)。

1 BSP總體結(jié)構(gòu)

    BSP設(shè)計最終生成對應(yīng)用層提供支撐的鏡像文件為BOOT.BIN和image.ub。BSP的總體架構(gòu)如圖1所示。BOOT.BIN啟動鏡像主要負責(zé)系統(tǒng)硬件部分配置，用于上電后配置Zynq芯片的處理器系統(tǒng)（Processing System，PS）及可編程邏輯（Programmable Logic，PL），并為Linux操作系統(tǒng)準備運行環(huán)境。image.ub支持內(nèi)核升級，功能可裁剪，由PeteLinux工具編譯打包生成。

    第一階段引導(dǎo)加載器（First Stage Boot Loader，F(xiàn)SBL）在啟動存儲區(qū)之后運行，啟動存儲區(qū)在ARM核上電啟動時自動執(zhí)行，負責(zé)加載FSBL至片上存儲器（On Chip Memory，OCM）或在線性Flash存儲介質(zhì)上直接運行。對于運行在Zynq平臺的Linux系統(tǒng)而言，第二階段引導(dǎo)加載器（Second Stage Boot Loader，SSBL）即為通用引導(dǎo)加載器（Universal Boot Loader，U-Boot）。Xilinx提供了用于適配不同系列Zynq主板的U-Boot?；赯ynq-7000 AP SoC的BSP各個組成部分對應(yīng)的功能說明如下：

    (1)FSBL。FSBL負責(zé)初始化Zynq AP SoC PS端資源并使用硬件比特流文件配置PL端資源。

    (2)硬件比特流。硬件比特流由Vivado集成開發(fā)工具構(gòu)建的FPGA系統(tǒng)生成，包含F(xiàn)PGA編程信息，用于配置FPGA器件。

    (3)SSBL。SSBL負責(zé)初始化內(nèi)存和必要的外設(shè)資源，設(shè)置Linux內(nèi)核的啟動參數(shù)以及加載Linux系統(tǒng)到內(nèi)存中運行。

    (4)Linux內(nèi)核鏡像。Linux內(nèi)核鏡像是Linux操作系統(tǒng)的核心，提供硬件抽象層、進程及內(nèi)存管理、磁盤與文件系統(tǒng)控制等功能。

    (5)根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)基于BusyBox源碼構(gòu)建，負責(zé)管理Linux系統(tǒng)啟動及運行時所必需的目錄和關(guān)鍵性文件。

    (6)設(shè)備樹。設(shè)備樹文件用于描述部分硬件信息并在Linux系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動時傳遞配置參數(shù)。

2 FPGA工程設(shè)計

    傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測設(shè)備中很多是符合RS232、RS422或RS485等串行數(shù)據(jù)通信標(biāo)準的設(shè)備。對于自動化監(jiān)測系統(tǒng)而言，如何面向這些監(jiān)測設(shè)備提供可重配置的接口，成為一個需要解決的關(guān)鍵問題。許多傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備所提供的功能在出廠時便已在固件中完成燒錄定義，無法面向新的業(yè)務(wù)需求進行修改或擴展。然而，對于許多應(yīng)用場景，固定功能的硬件會因為難以進行資源復(fù)用而導(dǎo)致成本提升。FPGA器件因為具有動態(tài)可重構(gòu)的特性，被認為是數(shù)字可演化硬件系統(tǒng)一個很好的平臺^[8]。Xilinx使用硅片堆疊技術(shù)設(shè)計出了高容量的FPGA，用于滿足低功耗、低延時及高帶寬的應(yīng)用需求。

2.1 工程構(gòu)建

    在進行FPGA系統(tǒng)設(shè)計時往往需要重用已有的功能模塊，于是類似于軟件開發(fā)庫文件的IP核應(yīng)運而生。IP核通常是預(yù)先設(shè)計好的電路功能模塊，主要被用于ASIC或FPGA系統(tǒng)。Xilinx提供了可連接到高級可擴展接口（Advanced eXtensible Interface，AXI）的通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）Lite。每一個AXI UART Lite IP核都可以實際對應(yīng)一個串行通信接口，為工業(yè)監(jiān)測設(shè)備接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供支持。AXI UART Lite IP核可以為異步串行數(shù)據(jù)傳輸提供控制器接口。它的設(shè)計目的在于和 AXI4-Lite協(xié)議實現(xiàn)連接。AXI UART Lite的主要性能和優(yōu)勢^[9]如下：

    (1)基于AXI4-Lite 規(guī)格的AXI 接口；

    (2)一個發(fā)送通道和一個接收通道（全雙工）；

    (3)16個字符的發(fā)送和接收先進先出隊列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）；

    (4)單個字符的數(shù)據(jù)比特位(5～8)數(shù)量可配置；

    (5)校驗位（奇偶或無）可配置；

    (6)波特率可配置。

    Xilinx提供了Zynq7處理器系統(tǒng)IP封裝，用于加速嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與配置。在Vivado集成開發(fā)環(huán)境中搭建基于Zynq-7000的小型自動化監(jiān)測系統(tǒng)FPGA工程，工程結(jié)構(gòu)如圖2所示。工程中添加了ZYNQ7處理器系統(tǒng)模塊、3個AXI UART Lite模塊以及AXI互聯(lián)模塊等IP核，AXI Interconnect IP負責(zé)將一個或多個AXI存儲器映射的主器件連接到一個或多個存儲器映射的從器件。在進行FPGA系統(tǒng)設(shè)計時還預(yù)留了部分GPIO接口資源，方便對系統(tǒng)功能進行擴展。

2.2 資源配置

2.2.1 PS端資源配置

    根據(jù)實際應(yīng)用需求配置Zynq XC7Z010處理器系統(tǒng)，并規(guī)劃XC7Z010的PS端MIO資源。MIO是I/O外設(shè)連接的基礎(chǔ)。XC7Z010芯片通過MIO最多可以引出54個三態(tài)通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）引腳。這些GPIO引腳都是在程序上可控的，并且支持動態(tài)修改配置。它們可以單獨配置為輸入、輸出或中斷的功能。PS端部分資源規(guī)劃結(jié)果如表1所示。

2.2.2 PL端資源配置

    Zynq中的PL主要用于擴展功能。通過使用多個特殊引腳和信號，可以將Zynq-7000內(nèi)的PS和PL緊密或松散地耦合在一起^[10]。XC7Z010主芯片包含用于連接外設(shè)和某些特殊功能引腳的IO接口資源。 特殊引腳最主要用于實現(xiàn)復(fù)位、狀態(tài)指示、系統(tǒng)配置、模式配置等功能，通過特定引腳和功能復(fù)用引腳來實現(xiàn)。XC7Z010的主要特殊引腳的配置說明如表2所示。

3 PetaLinux工程設(shè)計

    使用PetaLinux工具構(gòu)建基于Zynq AP SoC的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。PetaLinux工具包括定制的BSP生成工具、Linux配置工具以及軟件開發(fā)工具。使用這些工具可以實現(xiàn)引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核以及Linux應(yīng)用程序的靈活配置，有利于開發(fā)者在Xilinx處理系統(tǒng)上定制、構(gòu)建和調(diào)配嵌入式Linux解決方案。

3.1 系統(tǒng)頂層配置

    基于Zynq工程模板創(chuàng)建PetaLinux工程，導(dǎo)入固件工程生成的硬件描述文件并進行系統(tǒng)頂層配置，系統(tǒng)頂層配置項包括Linux組件選擇、自動配置項設(shè)置、子系統(tǒng)硬件自動配置項設(shè)置、內(nèi)核引導(dǎo)參數(shù)設(shè)置、U-Boot設(shè)置、鏡像文件打包配置等。其中子系統(tǒng)硬件自動配置項設(shè)置為必選項，允許自定義系統(tǒng)范圍的硬件設(shè)置，如：以太網(wǎng)卡設(shè)置、Flash設(shè)置、串口設(shè)置、實時時鐘(Real-Time Clock，RTC)芯片設(shè)置、SD卡設(shè)置等。Petalinux工具將根據(jù)系統(tǒng)頂層配置解析硬件描述文件，以便更新設(shè)備樹所需的硬件信息。

3.2 Linux內(nèi)核配置

    Linux內(nèi)核主要提供五大功能，分別為虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、內(nèi)存管理、進程管理和設(shè)備管理。Xilinx 提供了免費的PetaLinux開發(fā)工具，使開發(fā)人員可以輕松在Zynq AP SoC上配置、構(gòu)建和部署Linux系統(tǒng)及應(yīng)用，提高軟硬件設(shè)計開發(fā)效率。Linux內(nèi)核配置基于Linux 4.6.0內(nèi)核進行，主要包括USB串口驅(qū)動配置、以太網(wǎng)驅(qū)動配置、GSM和CDMA調(diào)制解調(diào)器的USB驅(qū)動配置、Xilinx-uartlite串口驅(qū)動配置、DS18B20溫度傳感器驅(qū)動配置、GPIO支持等。PetaLinux工程基于開源的協(xié)作軟件Yocto創(chuàng)建。Yocto致力于創(chuàng)建可定制的嵌入式產(chǎn)品和統(tǒng)一嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)標(biāo)準，它提供了許多模板、工具和方法，使得開發(fā)者無需關(guān)心硬件體系，避免許多重復(fù)工作，從而提高開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。Linux內(nèi)核的更新以打補丁的方式實現(xiàn)，內(nèi)核源碼的更新不影響已修改的系統(tǒng)配置項。

3.3 設(shè)備樹配置

    Linux內(nèi)核通過設(shè)備樹文件獲取板級硬件的細節(jié)信息從而加載設(shè)備驅(qū)動。設(shè)備樹可以對硬件進行規(guī)范化描述，支持多平臺內(nèi)核鏡像，具備簡化的板卡端口，使用更少的平臺描述代碼以及更精簡的設(shè)備驅(qū)動代碼^[11]。PetaLinux設(shè)備樹配置關(guān)聯(lián)文件主要有pcw.dtsi、plnx_aarch64-system.dts、system.dts、system-conf.dtsi、system-top.dts。這些文件統(tǒng)一由PetaLinux工程自動生成，開發(fā)者通過修改system-top.dts文件來滿足特定的系統(tǒng)需求?；赯ynq-7000的小型自動化監(jiān)測系統(tǒng)具備網(wǎng)口調(diào)試、RTC時鐘支持、溫濕度監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。需要在system-top.dts文件中進行相應(yīng)節(jié)點信息的修改或添加新的硬件描述節(jié)點。例如在設(shè)備樹配置文件system-top.dts中添加RTC時鐘硬件描述信息及修改后的網(wǎng)卡芯片節(jié)點信息如下：

    &i2c0 {

    status = "okay";

    rtc@51 {

        compatible = "nxp,pcf8563";

        reg = <0x51>;

       };

  };

    &gem0 {

    compatible = "cdns,zynq-gem", "cdns,gem";

    status = "okay";

    phy-mode = "rgmii-id";

    xlnx,ptp-enet-clock = <0x69f6bcb>;

    local-mac-address = [00 0a 35 00 1e 53];

    };

4 BSP總體測試

    在基于XC7Z010的硬件平臺中對BSP進行總體測試，設(shè)備上電后，處理器自動執(zhí)行片內(nèi)BootROM中的代碼，初始化CPU和一些外圍設(shè)備，以便讀取燒錄在NOR Flash中的BOOT.BIN引導(dǎo)鏡像，BOOT.BIN引導(dǎo)鏡像加載存儲在eMMC上image.ub到DDR3中運行。然后，文件系統(tǒng)中的mystartup.sh腳本啟動存儲在eMMC中的系統(tǒng)初始化腳本文件，執(zhí)行系統(tǒng)初始化配置。PetaLinux系統(tǒng)部分啟動信息如圖3所示。

    圖3(a)為PL部分擴展的AXI UART Lite模塊注冊加載信息，在Linux下作為標(biāo)準串口分別對應(yīng)設(shè)備文件描述符ttyUL1、ttyUL2及ttyUL3。圖3(b)為內(nèi)存技術(shù)設(shè)備（Memory Technology Device，MTD）驅(qū)動加載信息，MTD是用于訪問存儲介質(zhì)的Linux的子系統(tǒng)，此處表示NOR Flash存儲器，共創(chuàng)建了boot、bootenv、kernel以及spare 4個MTD子分區(qū)，其中spare分區(qū)為空閑分區(qū)，可用于燒錄設(shè)備唯一序列號。圖3(c)為GSM模塊USB接口連接檢測信息及網(wǎng)口芯片啟動狀態(tài)信息，其中GSM模塊對應(yīng)Linux系統(tǒng)下的設(shè)備文件描述符ttyUSB0、ttyUSB1、ttyUSB2、ttyUSB3及ttyUSB4。

5 結(jié)論

    本文實現(xiàn)一種面向自動化監(jiān)測系統(tǒng)的BSP設(shè)計方法，并完成了面向小型微型自動化監(jiān)測系統(tǒng)的BSP設(shè)計與實踐。用于評測BSP功能及性能的硬件平臺選用Xilinx Zynq XC7Z010芯片作為硬件系統(tǒng)主控制器，BSP部分針對自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能在嵌入式Linux系統(tǒng)中添加了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動，可充分滿足工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求。實際測試結(jié)果表明，該BSP具有開發(fā)便捷、通用性強、便于進行功能擴展和Linux內(nèi)核升級、運行穩(wěn)定等特點，驗證了基于Zynq-7000的自動化監(jiān)測系統(tǒng)BSP設(shè)計的可行性與正確性，對于工業(yè)自動化系統(tǒng)的BSP設(shè)計與實現(xiàn)有一定的參考價值和實際指導(dǎo)意義。由于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的功能日益復(fù)雜，該BSP設(shè)計仍需在實踐中不斷進行完善。

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作者信息:

宋  凱1，2，高  寒1，2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 北京市物聯(lián)網(wǎng)軟件與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100124）