智能命令行設計及其在SOPC系統中的應用

命令行是計算機系統中最重要的組件之一。它可以幫助開發人員更方便的控制系統。在調試過程中，可以讓開發人員隨時變更測試方法。

FPGA的成本越來越低，FPGA上的嵌入式系統（SOPC）也應用得越來越廣泛。但是相對其他成熟的計算機體系，SOPC系統現在還沒有命令行。為了更好的推廣SOPC應用，筆者開發了一個智能的命令行模塊，可以調用系統中的任意函數，降低了開發人員的使用難度。在最小配置時，它只有大約1000行代碼，占用14KB存儲容量，可以放在完全由FPGA片內資源構成的計算機系統中。它的結構也具有很好的擴展性，開發人員可以結合自己的需求，輕松添加命令，豐富它的特性。

命令行框架設計
1 總體設計
好的命令行要具有擴展性，開發人員能輕松添加自己的命令；也要傻瓜化，簡單易于使用。

為了達到這兩個目的，可采用編譯器創建的數組作為命令的總索引數據結構。為每條命令創建一個變量，指定它放在一個命令行專用的段中；其中用段“shell_cmd_tab”存放用戶主動創建的命令；用段“shell_cmd_tab_auto”存放系統中所有全局函數。創建變量只需調用宏SHELL_CMD_DECL，提供命令名、命令說明和函數名即可。這樣就可以實現C語言函數、變量、段、內存區域的自動映射過程。

命令的數據結構如下。

typedef struct _ncommand_t {
const char *name;
const char *descr;
shell_st_call? cfunc;
} ncommand_t;

為了簡化命令的創建，定義下面這個宏來創建命令。
#define SHELL_CMD_DECL(name, usage, func) ncommand_t\ _shell_cmd_tab_##func _attribute_ ( (section( “.shell_cmd_tab”) ) )\={ name, usage, func }; // small memory version
創建命令的實例如下：SHELL_CMD_DECL(“dump”, “Shows a memory dump”, hexdump);

2 連接腳本
在連接腳本里指定段的位置是簡化命令行使用流程的關鍵。GCC使用PROVIDE定義變量。筆者使用PROVIDE定義了各個段的起始地址和結束地址，從而可以在代碼中使用段地址查詢到所有命令。在編譯器使用的連接腳本中添加如下行定義函數表。

.shell :
{
PROVIDE (__ram_shell_start = ABSOLUTE(.));
. = ALIGN(32 / 8);
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_begin = ABSOLUTE(.));
*(.shell_cmd_tab .shell_cmd_tab.*)
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_end = ABSOLUTE(.));
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_begin = ABSOLUTE(.));
*(.shell_cmd_tab_auto .shell_cmd_tab_auto.*)
PROVIDE (__ram_shell_cmd_tab_auto_end = ABSOLUTE(.));
*(.shell .shell.*)
. = ALIGN(32 / 8);
PROVIDE (__ram_shell_end = ABSOLUTE(.));
} > ddr_sdram

3 動態函數表創建
由工具自動根據系統中的全局函數創建的命令被稱為自動命令。自動命令使用戶可以在命令行中調用任意普通函數，即使開發人員沒有聲明這些函數為命令。自動命令也需要一個數組包含系統中所有全局函數的信息，這個表為動態函數表。使用一個腳本根據系統的可執行文件自動生成動態函數表。要先編譯軟件，生成可執行文件；再調用腳本創建動態函數表；最后再編譯出包含動態函數表的可執行文件。

在腳本中先使用GNU的nm工具從可執行文件導出所有全局符號，再使用grep提取出包括函數名的行，接著使用cut刪除函數名前的地址信息，使用sed將字符T替換為創建命令的宏SHELL_CMD_DECL_AUTO，并在行尾添加括號。最后將所有這些信息寫入一個C源代碼文件，交給編譯器編譯，就能得到一個動態函數表。

4 自動命令參數個數
為了便于開發人員使用，自動命令最好能適應所有函數類型，假設都是unsigned int的函數類型。對于可以成功轉化為unsigned int類型整數的參數，將真實的值傳遞給函數；對于其他參數，則將參數作為一個字符串傳遞給函數。

5 字符輸入
命令行從標準輸入設備中獲取字符。命令行只接受可打印的字符和特定的控制字符。如果收到了回車或者換行字符，代表用戶完成了命令輸入，就解析命令。解析命令前，去掉多余的空格符（0x20），即不允許有連續的兩個或多個空格符存在，命令的最后也不能有空格符。

6 參數解析
命令行模塊要從用戶輸入的字符串中解析出命令名和參數。為命令提供與DOS和Linux類似的兩個參數，argc和argv。argc表示參數的個數；argv是字符串指針的數組，最多10個字符串。argv[0]是第一個參數，argv[1]是第二個參數，如此類推。

7 函數解析
在代碼中使用SHELL_CMD_DECL創建了命令列表，使用工具創建了自動命令列表。這兩個表實際上都是數據結構ncommand_t的數組，其中有命令名和函數地址的信息。解析函數實際上就是根據在這兩個數組中依次比較函數名。如果用戶輸入的命令名和數組中的命令名一致，就使用對應的函數地址。

8 命令執行
得到函數地址后，就可以執行命令對應的函數。對于主動創建的命令，使用argc和argv作為參數。對于自動命令，命令行模塊先嘗試將原始參數轉換無符號整數。如果成功，使用無符號整數作為參數；如果不成功，則將原始參數的地址作為參數，實際上是一個字符串。

命令設計
完成總體設計后，就可以逐個添加開發需要的命令了。

● 幫助命令用于顯示所有命令名及其用法。

● IO命令用來訪問輸入輸出設備的寄存器，可以實現對外部設備的控制。

● 存儲器命令用來顯示、修改存儲器的值。最基本的包括：dump命令顯示指定位置的內存的值；modify命令用來修改指定內存單元的值。

● 用戶在使用過程中，會使用很多命令。能夠查詢歷史命令、循環執行歷史命令將給用戶帶來很多方便。因此筆者實現了三條命令。history_show用來顯示所有已經使用了的命令；history_del用來刪除指定的歷史命令；history_exec用來執行指定的歷史命令。

優化處理
Altera提供了簡化版的輸出函數alt_printf來替代printf，降低了嵌入式系統的開銷，筆者在命令行中也支持這個這個函數。命令行的代碼中，只調用SHELL_PRINT；在頭文件中，根據用戶設置，SHELL_PRINT使用標準的printf或者簡化的alt_printf。如果使用簡化的alt_printf，這個命令行占用的內存小于14KB。

在SOPC系統中的應用
Altera為SOPC系統開發提供的集成開發環境NIOS II IDE附帶了多個軟件實例。在使用這些軟件實例時，用戶只需要選擇模塊，完全不用新編代碼，非常簡單。

智能命令行模塊也可以作為NIOS II IDE的一個實例。先在“nios2eds\examples\software\”目錄下為命令行創建一個子目錄shell_standard，再以其他軟件實例的template.xml為模板創為命令行建一個template.xml文件，然后復制命令行模塊的所有文件到這個目錄中。這樣，用戶在創建工程時，直接選中智能命令行模板，就可以使用智能命令行模塊了。