摘 要： 介紹了一款針對MicroBlaze軟核處理器特別開發的嵌入式操作系統Petalinux，成功地實現了其在ML402開發板上的移植，并且在該系統上實現了基于TCP/IP協議的套接字接口Socket的網絡通信。
關鍵詞： FPGA；MicroBlaze軟核處理器；Petalinux移植；Socket網絡通信
嵌入式系統是為特定目的而構建的一類計算機設備。該設備具有體積小、功耗低、可靠性穩定、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合要求實時和多任務的體系[1]。Petalinux是由PetaLogix公司專門為在Xilinx FPGA的MicroBlaze軟核處理器上運行而開發的嵌入式Linux。Petalinux發布的版本中包含定制的Linux2.4/2.6內核原碼、U-boot內核編碼、相關的開發工具以及開發板參考硬件平臺配置，極大地方便了開發人員的使用，縮短了產品的開發周期。
對于如何在嵌入式系統上實現遠程網絡通信這一問題，本文給出了一種基于Xilinx開發板ML402的嵌入式網絡通信系統的設計與實現方案，成功實現了開發板與PC機的實時網絡通信。
1 硬件工程設計
1.1 底層硬件平臺的選取與設計
本設計方案采用Xilinx EDK 10.1在ML402開發板搭建一個最簡化的硬件平臺，結構如圖1所示。
xil
圖中各部件在FPGA 內部以IP核的形式構建并連接，系統以帶有32 bit MicroBlaze軟核的FPGA作為控制中心,SysACE用于存放文件系統和應用程序配置文件；INTC用來實現中斷控制；串口可在調試時輸出系統的運行信息；以太網控制器用來實現以太網功能；DDR_SDRAM通過XCL總線與處理器相連，用于對片外存儲器進行訪問[2]。
1.2 軟件平臺的配置
在移植Petalinux之前，必須配置BSP(Board Support Package)。所謂BSP，就是為給定的板子提供特定操作系統支持的代碼。介于主板硬件和操作系統之間，屬于操作系統的一部分,主要目的是為了支持操作系統，使之能夠更好地運行于硬件主板。
Xilinx EDK已經包括相應的BSP產生器，因此，第一步只需要把解壓的Petalinux文件夾下的hardware/edk_user_repository/PetaLogix/bsp/petalinux_v1_00_b文件夾拷貝到EDK文件夾下的\sw\lib\bsp目錄下進行相應的配置即可。接下來打開已建立的硬件工程，進行軟件平臺配置，點擊Software菜單，啟動Software Platform Setting。系統會彈出軟件平臺的配置窗口，可以看到共有3個可配置項——Software Platform、OS and Libraries和Drivers。右方的窗口為可配置選項的參數。首先對Software Platform進行配置，點擊Software Platform，在窗口右側可以看到可配置參數，包括兩個子窗口，其一是processor parameters，其中包括處理器主頻信息、交叉編譯器等選項。其中，extra compiler flag指定了在生成BSP與庫的過程中，交叉編譯器所用的編譯標志，archiver和compiler分別指定了生成BSP與庫所用的工具鏈，在這里只需保持默認即可。在OS and Library settings子窗口中打開OS的下拉菜單，選擇Petalinux，版本只有1.00.b，如果第一步沒有完成，則在點開OS的下拉菜單后，沒有Petalinux選項。
完成上一步之后，選中OS and Library可配置選項，這里主要是針對開發板對?滋Clinux的BSP進行配置，包括Flash與Memory以及輸入輸出調試端口的配置，在這里主要對以下參數進行修改：
Lmb memory：dlmb_crtlr
Main memory：DDR_SDRAM
Stdin：RS232_Uart
Stdout：RS232_Uart
最后點擊OK，退出，基于Petalinux的MicroBlaze軟件平臺配置完成。下一步是根據軟件平臺的配置生成針對MicroBlaze處理器的BSP與庫，使Petalinux與開發板的信息交互成為可能。進入EDK的Software菜單，點擊Generate BSP and Libraries，系統會自動生成板級支持包與庫。之后就可以在microblaze_0/libsrc/petalinux_v1_00_b文件夾下生成auto-config.in文件[3]。
1.3 Petalinux操作系統的移植
軟件平臺完成后需要對內核進行配置，嵌入式系統開發一般采用交叉編譯的方法，通過PC機對內核和應用程序進行編譯，具體步驟如下：
(1)將工程所在目錄復制到Petalinux解壓目錄下的
~/hardware/user-platforms目錄下。
(2)進入Petalinux解壓目錄，運行source ./settings.sh命令，設置Petalinux環境變量。
(3)進入~/software/petalinux-dist目錄，運行petalinux-new-platform-k 2.6-v Xilinx-p ml402新建用戶平臺；其中-v后綴為FPGA的生產廠商，-p后綴為工程使用的FPGA開發板名稱，-k為配置內核的版本。然后運行make menuconfig命令，進入Vendor/Product Selection選項，選擇相應的平臺，退出并保存。
(4)進入工程所在文件夾，運行petalinux-copy-auto-
config命令，將libgen生成的microblaze_0/libsrc/Kconfig.auto和autoconfig.in轉換成linux格式，并拷貝到當前活躍的platform下(例如software/linux-2.6.x/arch/Microblaze/platform/ml402)。它是根據在make menuconfig中選擇的vendor/platform來拷貝的。
(5)內核的配置與編譯
搭建的底層硬件平臺的不同決定了系統內核的區別，參考文獻[2]中薛慧敏針對不同情況給出了較為詳細的配置過程，可作為參考，在此不再贅述。
(6)Xmd下載啟動
Xmd是Xilinx EDK提供的調試工具，可以使用該工具對EDK開發的工程進行調試。使用該方法下載image文件，啟動Petalinux后，通過串口超級終端可以看到系統啟動過程。
2 網絡通信程序的開發
Petalinux移植成功后，就可以使用petalinux-new-app命令在其上建立軟件應用工程，進行軟件應用的開發。新建的軟件應用工程放在~/petalinux/software/user-apps。
2.1 軟件應用工程的建立
在petalinux-dist文件夾下輸入命令：petalinux-new-app petaserver，其中petaserver為應用工程名稱。創建成功后，在user-apps文件夾下新建了以工程名稱petaserver為名稱的文件夾，里面包括.C的應用程序、Makefile的編譯規則和readme的幫助文件。
2.2 Socket程序的創建
進入新建的應用工程文件夾，輸入命令：gedit petaserver.c，打開文本編輯器，對.C的應用程序進行編輯。本應用工程主要是作為網絡服務器，接收客戶端傳送的命令，消息經過處理后再回饋給客戶端，主要流程如圖2所示。
現行的網絡協議中TCP/IP協議是最通用的一個，因此，本程序也使用該協議實現網絡的互聯[4]。
Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程序員可以用它們來開發TCP/IP網絡上的應用程序。網絡的 Socket數據傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket具有一個類似于打開文件的函數調用Socket()，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket(SOCK_STREAM)和數據報式Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的、無差錯的、發送先后順序一致的、包長度不限和非重復的TCP服務應用；數據報式Socket是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用，主要以獨立的數據報進行網絡傳輸，數據報的最大長度為32 ＫＢ，傳輸不保證順序性、可靠性和無重復性，它通常用于單個報文傳輸或可靠性不重要的場合。根據以上特點，本應用選擇流式Socket[1]。
(1)服務器端petaserver.c主要代碼如下：
{
if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
//創建套接字Socket函數可以調用Socket函數，
該函數返回一個類似于文件描述符的句柄
{
fprintf(stderr,"socket error!\n");
exit(1);
}
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct
sockaddr))==-1) //Bind函數將socket與本機上
的一個端口相關聯，在該端口監聽服務請求
{
fprintf(stderr,"bind error!\n");
exit(1);
}
if(listen(sockfd,10)==-1) // Listen函數將一個
套接字轉換為被動傾聽套接字
{
fprintf(stderr,"listen error!\n");
exit(1);
}
if((connfd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr,
&sin_size))==-1)
//Accept函數從傾聽套接字的
完成連接隊列中接收客戶端連接請求
{
fprintf(stderr,"accept error!\n");
exit(1);
}
printf("server:got connection from %s\n",inet_ntoa
(their_addr.sin_addr));
if(send(connfd,"successfully connect\n",20,0)==-1)
//send函數用來控制對套接字的寫操作
{
fprintf(stderr,"send error!\n");
exit(1);
}
//顯示連接成功，開始接收客戶端信息
while((len1=recv(connfd,str,100,0)) > 0)
//recv函數用來控制對套接字的讀操作
{
len1=recv(connfd,str,100,0);
printf("\n收到字符數:%d\n",len1);
str[len1]=0;
printf("Received from client:%s\n",str);
}
close(sockfd);//Close函數用來關閉一個
套接字描述符
}
（2）啟動服務器
程序編寫好后，重新編譯，生成image.bin文件，下載該文件。
打開超級終端，系統啟動后輸入用戶名與密碼，進入petalinux系統執行下列命令：
ls /bin 回車
petaserver 回車
可以看到服務器端啟動語句輸出：
SOCKET: Creating socket..done.
SOCKET: start bind socket..done.
SOCKET: start listen..done.
這時打開PC機客戶端，客戶端使用成都眾山科技有限公司提供的TCP/UDP Socket 調試工具 V2.3，點擊TCP Client按鈕，在彈出的窗口中輸入服務器IP地址：192.168.0.10，端口:8000，點擊連接按鈕，可以看到當PC機客戶端向開發板上服務器端發出連接請求時，服務器端通過PC機超級終端輸出：
SOCKET:start accept..server:got connection from 192.168.0.1
Successfully connect
同時在PC機socket客戶端回顯:Successfully connect；
客戶端向服務器發送hello petalinux；
超級終端顯示服務器端已經接收到客戶端發來的信息，屏幕輸出為:15(接收到的字節長度)和hello petalinux(接收到的內容)。
至此說明客戶端與服務器端完成了網絡的連通，后續就可以接入外圍設備對系統進行進一步的開發與完善了。
本文簡單介紹了基于Petalinux的嵌入式系統的開發與移植過程以及客戶端與服務器端Socket的創建過程，通過在客戶端及服務器端創建Socket實現了PC機與Petalinux操作系統的實時網絡通信，實驗證明Petalinux的穩定性和實時性較好，為接下來在該系統上進行網絡應用程序開發打下了基礎，能夠滿足進一步實驗需求。
參考文獻
[1] 歐文盛.ARM嵌入式Linux應用實例開發[M].北京：中國電力出版社，2008.
[2] 薛慧敏，武傳華，路后兵，等.基于MicroBlaze的Petalinux嵌入式操作系統移植[J].微計算機信息，2011，27(8)：109-110.
[3] 薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD設計指南[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.
[4] IT同路人.Linux標準學習教程[M].北京：人民郵電出版社，2008.