摘要: 介紹一種針對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ML507開發板上的移植，并且通過LabVIEW軟件在該系統上實現了基于TCP/IP協議的網絡數據收發。同時，測試了該嵌入式系統的網絡數據傳輸性能。

引言

嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，能夠適應應用系統，并對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用軟件等部分組成[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的發布版本中包含定制的Linux2.4/2.6內核原碼、Uboot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。

針對如何在嵌入式系統上實現遠程數據傳輸的問題，本文給出了一種基于Xilinx ML507開發板的嵌入式網絡數據傳輸系統的設計與實現方案。通過LabVIEW編程軟件編寫客戶端，成功實現了開發板與PC機的實時網絡數據傳輸，同時測試了Petalinux操作系統的網絡數據傳輸性能。

1 系統平臺的搭建

1.1 開發板的選取與硬件平臺的設計

本設計方案采用Xilinx EDK 10.1在ML507開發板搭建一個簡化的硬件平臺，平臺結構如圖1所示。

各部件在FPGA內部以IP核的形式構建，并通過SPLB總線、XCL（Xilinx緩存鏈路）總線相互連接。系統以帶有32位MicroBlaze軟核處理器為控制中心,CF卡用于存放文件系統和應用程序配置文件；中斷控制器用來實現中斷控制；串口模塊可在調試時輸出系統的運行信息；三態以太網媒體訪問控制器用來實現以太網功能；雙倍速率同步動態隨機存儲器通過XCL總線與MicroBlaze處理器相連，用于對片外存儲器進行訪問[2]。

圖1 硬件平臺結構框圖

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，是介于主板硬件和操作系統之間的一層，應該說是屬于操作系統的一部分。主要目的是為了支持操作系統，使之能夠更好地在硬件主板運行。

Xilinx EDK已經包括相應的BSP產生器，因此按下面步驟配置軟件平臺:
① 把解壓的Petalinux文件夾下~/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。

② 打開已建立的硬件工程，點擊Software菜單，啟動Software Platform Setting。對Software Platform窗口進行配置，點擊Software Platform，在OS&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，那么再打開OS的下拉菜單后，將沒有Petalinux選項，其余選項保持默認。

③ 選中OS and Library可配置選項，這里主要是針對開發板對uclinux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。

軟件平臺配置完后就要根據相應配置生成針對MicroBlaze處理器的BSP和庫，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和庫。之后就可以在~/microblaze_0/ libsrc/ petalinux_v1_00_b文件夾下生成autoconfig.in文件[3]。

1.3 Petalinux操作系統的移植
軟件平臺配置完成后需要對內核進行裁減，嵌入式系統開發一般采用交叉編譯的方法，通過PC機上的虛擬機對內核和應用程序進行編譯，具體步驟如下[4]:
① 拷貝工程文件夾到Petalinux系統目錄；
② 設置Petalinux環境變量；
③ 在內核中新建用戶平臺；
④ 構建內核Makefile文件；
⑤ 對內核進行配置與編譯；
⑥ xmd下載image文件啟動系統。

搭建的底層硬件平臺的不同決定了系統內核配置的區別，參考文獻[2]中針對ML402開發板中的不同情況給出了較為詳細的移植過程，可作為參考，在此不再展開敘述。

使用EDK提供的調試工具xmd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 TCP/IP服務器端程序的創建

Petalinux移植成功后，緊接著開發所需的服務器程序。在虛擬機終端下進入petalinuxdist文件夾目錄，輸入命令petalinuxnewapp speedtest。其中，speedtest為服務器端程序名。創建成功后，在~/petalinux/software/userapps文件夾下新建了以程序speedtest為名的文件夾，里面包括.C的應用程序、Makefile的編譯規則和readme的幫助文件。接下來進入speedtest文件夾目錄，輸入命令gedit speedtest.c，打開文本編輯器，對.C的應用程序進行編輯。

TCP/IP協議是目前最通用的網絡協議，因此，本程序也使用該協議實現網絡的互聯。在Linux系統中，通過提供Socket接口進行網絡編程。Socket接口是TCP/IP網絡的API，其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Socket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，主要是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。

本文設計的網絡服務器，主要用于接收客戶端傳送的指令，然后發送數組給客戶端，具體流程如圖2所示。

圖2 服務器端通信流程

服務器端speedtest.c主要代碼如下[5]:
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));
printf ("successfully connect.\r\n");//顯示連接成功，開始接收客戶端請求
if ((recfd=recv(connfd,buffer,recbufsize,0))==-1){// recv函數用來控制對套接字的讀操作；
recfd=recv(connfd,buffer,recbufsize,0);
}
printf("\n收到字符串%d\n");
for (i=1;i<=N;i++) a[i]=i;
b=sizeof(a);
if(send(connfd,a,b,0)==-1){//控制對套接字的寫操作，發送1到4 999數組
fprintf(stderr,"send error!\n");
exit(1);
printf("%d",b);
}
while(1){//方便測試網絡傳輸速度
send(connfd,a,b,0);
}
printf ("send successfully\r\n");
close(sockfd); //關閉一個套接字描述符

圖3 TCP/IP客戶端LabVIEW仿真圖

啟動服務器在程序編寫好后重新編譯，生成image.bin文件，下載該文件。

打開超級終端看到系統啟動后，輸入用戶名與密碼，進入Petalinux系統執行下列命令:
ls /bin
speedtest
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.
說明服務器已經處于監聽狀態，等待客戶端的連接請求。

3 TCP/IP客戶端程序的創建

服務器端編寫完畢后，通過LabVIEW編程軟件編寫PC機客戶端，仿真圖如圖3所示。

設置服務器IP地址:192.168.0.10，端口:8000。點擊運行按鈕，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，服務器端通過串口輸出:
SOCKET:start accept..server:got connection from 192.168.0.1
Successfully connect

隨即服務器向PC機客戶端發送0~4 999個數組，在PC機上通過LabVIEW軟件開發可視化圖形界面，查看數據傳輸內容，以及數據傳輸過程中的丟包情況，界面如圖4所示。

圖4中輸出數據轉化為波形圖后顯示為一條上升的直線，中間無跳變點，說明數據無丟失。同樣，也可以通過右側的data數據框看到每一個輸出的數值，觀察結果同樣顯示數據發送完整。

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圖4 服務器端與客戶端連通后客戶端輸出界面

為了測試系統的數據傳輸速度，服務器端程序通過添加循環語句使其能夠持續地發送數組，并通過多特Netpersec網速測試軟件來測試系統的網絡傳輸速度，界面如圖5所示。

可以看出使用Petalinux操作系統時，本系統的網絡傳輸速率平均為20.9 Mb/s。至此完成了客戶端與服務器端網絡數據的傳輸，并測試了Petalinux的傳輸速度，結果表明Petalinux操作系統能夠滿足一般的數據傳輸需要，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。
結語
本文簡單介紹了Petalinux系統的開發與移植過程，以及TCP/IP客戶端與服務器端通信程序的創建過程，實現了PC機與Petalinux操作系統的實時數據傳輸，同時測試了系統的傳輸性能。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。

圖5 PetaLinux操作系統網絡數據傳輸速度

參考文獻
[1] 華清遠見嵌入式培訓中心.嵌入式Linux C編程入門[M].北京:人民郵電出版社，2009.
[2] 薛慧敏，武傳華，路后兵,等. MicroBlaze處理器的Petalinux操作系統移植[J].單片機與嵌入式系統應用，2011(4):6769.
[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] John Williams.2010 Xilinx Professor Workshop—Embedded Linux on Xilinx MicroBlaze，2010.
[5] 李俊.嵌入式Linux設備驅動開發詳解[M].北京:人民郵電出版社，2008.
楊謝（碩士研究生）、路后兵（講師），主要研究方向為嵌入式系統開發；武傳華（教授）、錢怡（講師），主要研究方向為軟件無線電技術應用。

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