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(Programmable Logic Device)技術引入到嵌入式系統設計中，進而又發展到SoC(System on Chip)，最終將PLD與嵌入式處理器結合而成為SoPC(System on Programmable Chip)，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．其系統結構如圖l所示。
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，不會包括任何專用外設，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512 KB的SRAM、l片8MB的Flash、UART電子轉換器和1片以太網控制器LAN91C111。系統電路框圖如圖2所示。
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Qualtus II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、Altera Nios開發包NDK 3.0中所提供的Nios GNUPro工具、Ahera Nios開發包所提供的cygwin安裝，以及Quartus II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Linux DeveloperBash環境下進行，首先需按下列步驟配置和構建內核。
[Linux Developer]…μClinux／：cd linux
[Linux Developer]…linux／：make xconfig
[Linux Developer]…linux／：make clean
[Linux Developer]…1inux／：make dep
[Linux Developer]…linux／：make
[Linux Developer]…μClinux／：make linux.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[Linux Developer]…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：
[Linux Developer]…μClinux／：make clean_target
[Linux Developer]…μClinux／：make romfs
然后鍵入以下命令：
[Linux Developer]…μClinux／：nios-run romdisk.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]core appfile appfile.*elf appfile.*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。
最后，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。
[Linux Developer]…uClinux／：make clean_target
[Linux Developer]…uClinux／：make romfs
[Linux Developer]…uClinux／：nios-run romdisk.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SoPC Builder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，所傳輸的數據流如圖4所示。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，系統主程序流程圖如圖5所示。
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(流程圖如圖6所示)和串口接收線程(流程圖如圖7所示)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，按如圖8所示，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。
