Blackfin处理器及嵌入式mClinux在数据采集系统中的应用

摘   要：本文介绍了一款高性价比的嵌入式处理器，并提供了带USB、以太网、TFT LCD的嵌入式数据采集   
               系统解决方案，以及BT531的U-Boot和μClinux的编写移植，大大简化了数字设备日益繁多的功能和
               外设驱动的开发。
关键词：Blackfin处理器；BF531；μClinux；U-Boot

前言
在数据采集系统中，数字处理是系统核心内容之一；然而随着科技发展，越来越多的功能需求使得采集系统的外设也越来越复杂，外设通讯和驱动编写成为一项复杂和繁琐的工作。以应用为中心的嵌入式系统为此类需求提供了一个良好的解决方案，能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求。ADI公司的Blackfin系列处理器将嵌入式微控制器和DSP融为一体，取二者之长，提高了系统工作效能，大大降低了成本。同时，多线程的实时嵌入式操作系统也可增强采集系统的实时性、稳定性。对开发者来说， Blackfin处理器和mClinux的结合很有吸引力。

系统结构及硬件平台
本数据采集系统主要由2个数据采集通道、1个触发通道、ADC转换及存储电路、DSP及FPGA控制部分组成，并包含有以太网、RS232接口、USB、TFT液晶显示部分。系统硬件平台原理框图如图1所示。
信号从采集通道进入，经过信号调理电路进入ADC，被转换后的数字信号即进入FPGA、DSP进行数字控制处理。经过DSP处理过的信号，可送至其它外设以显示、存储，或通讯。

                                 图1 系统硬件原理框图

BF531为系统的核心部分之一，供电电压3.3V，内核电压1.2V，为了使系统能够开机自动从FLASH中启动，设置BMODE为00，即从外部存储器启动。FPGA、片外SDRAM、FLASH，以及USB和液晶直接和BF531通过地址线、数据线相连。
系统中应用了TFT LCD液晶显示模块FG050605DNC，该LCD控制简单，只有RGB每色5个共15个信号，以及数据使能、数据时钟和行频、场频控制信号。LCD晶直接由DSP控制，DSP的Timer1、Timer2提供行、场频信号，PPI口传输数据，由FPGA提供时钟，配置mClinux开辟一块framebuffer作为显示数据存储区，配合Linux下的液晶驱动，即可工作。

软件设计
由于DSP中运行的是基本上已经成熟的算法和控制流程，所以软件设计的主要工作为在DSP中嵌入操作系统。
U-Boot的移植
U-Boot的移植主要分为两个层面，一个是对CPU的移植，一个是针对Board的移植。U-Boot中已经有大量可直接下载到某些开发板上的程序，为了减小工作量，可选一个最接近自己设计的开发板来进行修改。本设计中采用了stamp目标板。
具体如下： 
(1)拷贝board下面的文件夹stamp，重命名为mybf531，作为即将要修改配置的目标板。 拷贝cpu下面的文件夹bf533，重命名为bf531，作为将要修改的cpu bf531。再将board和bf531文件夹中所有关于stamp板的文件名及包含头文件等改为mybf531；将所有关于bf533的文件名及包含头文件等改为bf531。注意文件间的依赖关系，确定是该添加文件还是修改文件，并记录文件改动。
(2)Makefile文件
在u-boot根目录下的makefile文件中添加bf531和mybf531的编译规则，如下：
ifeq ($(CPU),bf531)
OBJS += cpu/$(CPU)/start1.o
OBJS += cpu/$(CPU)/interrupt.o
OBJS += cpu/$(CPU)/cache.o
OBJS += cpu/$(CPU)/cplbhdlr.o
OBJS += cpu/$(CPU)/cplbmgr.o
OBJS += cpu/$(CPU)/flush.o
OBJS += cpu/$(CPU)/init_sdram.o
endif
mybf531_config :       unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) blackfin bf531 mybf531
(3)include/configs/mybf531.h
板子的功能配置信息大都在include/configs/mybf531.h中，故拷贝stamp.h并修改其中的启动信息和配置信息。重点修改部分如下：
时钟信息：
#define CONFIG_CLKIN_HZ
11059200
#define CONFIG_VCO_MULT
36
#define CONFIG_SCLK_DIV
5
FLASH信息：
#define CFG_MAX
FLASH_SECT 67 
#define CFG_ENV_ADDR 
0x20004000
#define CFG_ENV_SIZE 
0x2000  
#define CFG_ENV_SECT_SIZE
0x2000
#define CFG_FLASH_ERASE_
TOUT 30000
#define CFG_FLASH_ERASE_
TOUT 30000
SDRAM信息：
#define CONFIG_MEM_SIZE
128 
#define CONFIG_MEM_ADD_
WDTH      11 
#define CONFIG_MEM_
MT48LC64M4A2FB_7E 1
其它配置信息
#define AMBCTL0VAL            
0xBBC3BBC3
#define AMBCTL1VAL            
0x99B39983
#define VDSP_ENTRY_ADDR
0xFFA00000 
并将板子上不需要的功能的宏定义作相应设置。
(4)Board的移植
检查board/mybf531/ 中所有文件，首先将board和cpu的相关stamp.h、stamp.c改为bf531.h和mybf531.c，并检查其文件的设置、包含的头文件和宏定义是否正确。在board/mybf531/config.mk中，找到
TEXT_BASE = 0x03FC0000
PLATFORM_CPPFLAGS += -I$(TOPDIR)
修改其中的TEXT_BASE值为SDRAM的最大地址与CFG_MONITOR_LEN之差。
(5)CPU的移植
检查cpu/bf531/ 中所有文件，首先将board和cpu的相关stamp.h、stamp.c改为bf531.h和mybf531.c，并检查其文件的设置、包含的头文件和宏定义是否正确。
cpu/bf531/cpu.c文件的修改主要在于配置SDRAM页的大小属性，设置ICPLB、DCPLB、cache的状态设置， icplb_table和dcplb_table和其相应属性的修改。
(6)其它
在以下文件夹中找到下面函数，检查并根据具体要求修改
init_IRQ()              cpu/bf531/ints.c
flash_init()           drivers/cfi_flash.c
env_init()             common/env_flash.c
init_baudrate()         lib_blackfin/board.c
serial_init()           cpu/bf531/serial.c
console_init_f();       common/console.c
display_banner();       lib_blackfin/board.c
checkboard();           board/stamp/stamp.c
timer_init();           cpu/bf531/interrupts.c
至此，U-Boot的修改配置基本完成，重新编译U-Boot代码，将得到的u-boot.bin通过JTAG口下载到目标板，如果能够通过串口输出启动信息，表明移植基本成功。其间仍需多次修改。移植成功后可相应对功能进行增删。
mClinux的移植下载
本文选择了http://blackfin.uclinux.org 中提供的mClinux-dist-R06R2-RC2.tar.bz2作为系统使用mClinux的源代码。解压缩之后就可以进行内核配置和内核编译了，内核配置即为内核制定适当的功能。在解压缩之后的源码根目录下，执行 make menuconfig 或 make xconfig 进行配置。
其中重要的部分如下：
(1)系统cpu的选择、系统板卡的选择及设置
Kernel executes from  RAM  
Cyrstal Frequency     1000Hz
SDRAM Memory Size in Mbytes
32 SDRAM      Memory
Address Width  9
Baud Rate 57600  
Enable DMA Support
(BFIN_DMA_5XX)
EBIU_AMBCTL Global Control
EBIU_AMBCTL Control
(2)系统外设选择及驱动设置
本系统外挂以太网、USB、LCD及SPI FALSH，使用RS232、PPI接口等，mClinux内核源文件已经包含支持Blackfin系列处理器的驱动，故只需对各接口进行驱动选择，对部分外设进行驱动编写即可。主要的设置如下：
Networking support (NET)
Device Drivers
Detect non-CFI AMD/JEDEC-compatible flash chips (MTD_JEDECPROBE)
ST MW320D compatible flash chip support (MTD_MW320D)
Support for RAM chips in bus mapping (MTD_RAM)
Parallel port support (PARPORT)
SCSI device support
Network device support (NETDEVICES)
Blackfin BF53x Programmable Flags Driver (BF533_PFLAGS)
Blackfin BF5xx PPI Driver (BF5xx_PPI)
Support for frame buffer devices (FB)
FG0506 TFT LCD on uClinux (MYBF531 STAMP) (FB_BF531_FG0506)
Support for Host-side USB (USB)
其中FG0506 TFT LCD on mClinux (MYBF531 STAMP) (FB_BF531_FG0506)为在/uClinux-dist/linux2.6.x/driver/video/下编写bf531_fg0506.c的液晶显示驱动，并改写该文件夹下的Makefile和Kconfig文件，将该选项编入?Clinux源程序的配置选项中。
(3)操作系统内核的剪裁
Analog Devices Blackfin Embedded Linux Application Configuration菜单下为关于Linux系统应用程序的配置信息，可以添加或删除适合本系统的软件设置，应用程序等。例如，如果要在系统上使用图形界面，就需要在此部分中选择Microwindows下的microwin和nano-X的相应选项，或是将Qt/Embedded编入mClinux源文件，再编入系统内核中。除了适合系统的特殊需要，一般此项中的内容不需修改。
全部选择完成之后，使用make进行内核编译，在images文件夹下会生成内核文件：linux.ext2、uImage.ext2、vmlinux、rootfs.ext2、rootfs.jffs2等，分别对应不同的文件系统、不同功能大小的系统。
使用串口或以太网将内核下载到板子上，启动?Clinux看到欢迎界面和root:/>后，嵌入式操作系统即移植成功。
　　
结语
经调试、修改，最终生成的内核已可以运行，并对USB、以太网、LCD有良好的支持，节约了大量设备驱动及通讯协议的编写，给多外设的采集系统提供了良好的驱动解决方案，节约了开发周期和难度。　　　
参考文献
1赵炯编著.Linux内核完全注释. 北京，机械工业出版社， 2004.9
2 http://blackfin.uclinux.org
3杨文志.深入linux建构与管理.北京，人民邮电出版社，2000.12