摘要： 本文會介紹如何在兼容ARM V4指令集的32位RISC處理器(FA526)所構建的SoC平臺上(即FIE8100)，運用智原科技所提供的FA526-Linux開發包通過armboot裝載Linux操作系統。使開發人員可以在基于FIE8100 SoC的仿真平臺-MediaCreative!上進行二次開發和驗證設計。

智原科技的FIE8100 SoC平臺是利用智原科技所開發并驗證過的大量硅知識產權構建而成的高性能用于低功耗，可攜式視頻相關應用開發的SoC平臺，它也可用于基于FA526 CPU的SoC設計的驗證。

基于FA526-Linux軟件開發套件，開發人員可以將Linux-2.4.19軟件環境在FIE8100平臺上安裝實現，通過完成對平臺上所有IP的驅動程序安裝和對FA526的內部調試。

FA526介紹

FA526是一顆有著廣泛用途的32位RISC處理器。它包括一個同步CPU內核(core)，獨立的指令/數據緩存(cache)，獨立的指令/數據暫存器(scratchpads)，一個寫緩存(write buffer)，一個內存管理單元(memory management unit)和JTAG在線仿真(ICE)接口。CPU內核是6級流水線(pipeline)的哈佛(Harvard)結構，包括：取指令(fetch)，解碼(decode)，搬移(shift)，執行(execution)，數據訪存(memory)，寫回(write)。為了提高整體性能，FA526 CPU也包含了一個分支運算緩存(Branch Target Buffer:BTB)來減少分支運算的開銷(penalties)。

圖1  FA526功能模塊圖

FA526 CPU內核的指令是兼容ARM V4的結構，并使用AMBA AHB 接口于外部設備進行通訊。因此，FA526 CPU有著廣泛的應用領域，特別是針對那些需要高性能和低功耗的應用。FA526 CPU 內核是完全同步的，并且其基于單相時鐘(single-phase clock)的結構可以很容易地實現集成開發系統級芯片(System on Chip: SoC)。FA526 CPU內核的方塊圖如圖1所示。

FA526 CPU內每個功能模塊的說明如下：

CPU Core
FA526完全兼容ARM V4結構，包括V4指令集和一個寄存器指令集。總共30個通用寄存器和6個處理器狀態寄存器。FA526提供7種處理器模式，包括：Supervisor, System, FIQ, IRQ, abort, undefined and user.

分支運算緩存(Branch Target Buffer：BTB)
分支運算緩存可通過一種分支處理預言(branch prediction)機能來提高處理器的性能。憑借此精確分支處理預言，BTB可解決控制相關(dependency)和減少分支運算開銷(branch penalty)。FA526在分支處理預言里采用2位計數器算法，并提供一個無效的全BTB輸入的操作(Entries operation)。

圖2  基于FA526 CPU的FIE8100系統架構

圖3  基于FIE8100 SoC的開發板：MediaCreative!

指令緩存和數據緩存(ICache and DCache)
指令/數據緩存運用本地編程(program's locality)的方式來提高處理器性能。它在一個快速本地內存里存儲最近期使用過的指令或數據。他們的大小通常為8K或16K

內存管理單元(MMU)
FA526 MMU有一個標準的可配置的4路組關聯快表(4-way set-associative TLB)。它可在地址傳輸緩存最近期使用過的頁表(page)，它也是和ARM架構完全兼容的。

指令/數據暫存器(IScratchpad and DScratchpad)
暫存器是一個靠近處理器內核的快速片上SRAM。一些要求性能高的代碼和數據可被預抓取(pre-fetched)到暫存器并全速的執行。這主要用于嵌入式應用。暫存器可以是1 Kbytes, 2 Kbytes或4 Kbytes。

總線界面單元(Bus Interface Unit:BIU)
總線界面單元可從CPU內核里接受內存訪問的請求并通過外部系統總線執行指令和數據。FA526的總線界面單元使用AMBA 2.0(AHB)的界面協議。AHB是一種流水總線協議。它使用單相時鐘運算方式，使得設計人員能夠在SoC集成上很容易地采用。

寫回(Write Buffer: WB)
寫回可以在進入下一個內存層時避免寫延遲和減少寫堵塞。FA526寫回緩存包括一個8個字的地址緩沖器和一個4個字的數據緩沖器。

ASIE Interface
ASIE可用于處理器功能的擴展。它提供兩個擴展功能：協助器的連接和指令擴展(coprocessor connection and extension instruction). 

在線仿真器(ICE)
FA526提供兩種ICE協議：Faraday ICE 調試器和ARM ICE調試器。

省電控制單元(Power Saving Control Unit)
省電節省控制單元控制著整個芯片時鐘以減少操作功耗。當軟件程序發現CPU已長時間的處在空閑狀態，它會強制讓處理器進入省電模式。處理器支持兩種省電模式：Idle and Sleep。在Idle模式下，處理器內部電路的時鐘除了省電控制單元都停止下來。在Sleep模式下，處理器內部電路包括PLL都停止。在省電模式下，處理器可以通過一個中斷或一個ICE驅動來喚醒。這樣的啟動時間需要16個時鐘周期，大約5個微秒從Sleep模式到喚醒。
  
FIE8100 SoC 平臺介紹

FIE8100 SoC平臺集成了眾多外設，系統架構如下圖2所示。一顆高性能處理器內核和功耗管理以特別應對MPEG-4和JPEG的市場需求。目前，智原的MPEG4/JPEG Codec所支持的格式為Simple Profile Version 3.1,其包含XviD編碼和一部分的DivX編碼。

FIE8100 SoC平臺包含了非常豐富的功能模塊以支持多種應用，包括：FA526(32Bit RISC CPU), MPEG-4/JPEG 編解碼引擎, USB2.0 設備控制器, USB2.0 PHY(物理層), LCD 控制器, DMA 控制器，TV Encoder(解碼器)，Capture(視頻捕捉器)和AMBA總線架構。為了讓用戶能將自己的IP或功能模塊順利的運行在FA526上，智原將AHB總線從CPU的引線中拉出，以及搭配各類接口和片外芯片，開發制作了一個基于FIE8100 SoC的仿真平臺： MediaCreative!。如圖3所示。
 
基于FA526的Linux安裝

開發系統之介紹
所需主開發環境
開發Linux的主系統開發環境需要有：
硬件：
* 兼容Intel x86的PC
* 標準16550 UART接口
軟件：
* Linux操作系統 (RedHat 7.3~8.0或更高版本)
* FA526-Linux 軟件包
通用平臺系統所需的器件：
- MediaCreative! (含FIE8100/FWAB326AA芯片)  x 1
- 64MB SDRAM            x 1
- 32MB Flash                     x 1
FA526的Linux安裝
介紹
本章節將介紹FA526-Linux的架構和實現安裝。
FA526-Linux可以將Linux-2.4.19軟件環境在Faraday FA526處理器和外設IP上安裝實現。
FA526-Linux軟件包
FA526-Linux軟件包以“arm-linux-20050429.tgz”打包文件遞交。(此程序發布于April 29, 2005)                      
表1  安裝Linux所需的硬盤空間

安裝FA526-Linux軟件包，流程如下：
1.  拷貝文件 arm-linux-20050429.tgz 至目錄 /usr/src.
# cp arm-linux-20050429.tgz /usr/src

2.  解包文件"arm-linux-20050429.tgz".
# cd /usr/src
# tar zxvf arm-linux-20050429.tgz

3.  安裝Toolchain (GCC-2.95.3, Binutils-2.11.2, GLIBC-2.2.3) 至目錄/usr/local.
# cp /usr/src/arm-linux/toolchain/arm-linux-toolchain.tgz /usr/local/
# cd /usr/local
# tar zxvf arm-linux-toolchain.tgz
# rm -f arm-linux-toolchain.tgz
此步驟將在目錄 /usr/local/arm解壓GCC-2.95.3, Binutils-2.11.2 和 GLIBC-2.2.3的輸出文件.

4.  添加 GCC 執行路徑至shell環境。
可執行以下命令來添加路徑：
# export PATH=$PATH:/usr/local/arm/2.95.3/bin
在完成了以上四個安裝步驟后，你就可以繼續安裝FA526 Linux 內核或做應用了。
FA526-Linux目錄結構
假設主目錄是 /usr/src/arm-linux/。當你在/usr/src/arm-linux/下解壓打包文件，如：arm-linux20050429.tgz，系統會自動生成一組目錄，如圖4。
在表2中，列出了這些源目錄的定義。用戶的應用程序包含在目錄/usr/src/arm-linux/user/下，而客戶定制的RAM-Disk則包含在目錄/usr/src/arm-linux/images/下。
表2  FA526 軟件包目錄

FA526-Linux的構建和開發
本節將描述在嵌入式系統里配置和構建FA526-Linux內核。
內核目錄樹 (Kernel Tree)
FA526的Linux內核子目錄在以下的目錄里：
/usr/src/arm-linux/arm-linux-2.4.19/
FA526-Linux目錄的結構和標準Linux內核一樣，版本是2.4.19. 以下表格列出了Linux內核子目錄的內容。
(為書寫簡略，<TOPDIR> 代表 /usr/src/arm-linux/arm-linux-2.4.19)
表3內核子目錄內容。
 

圖4  FA526 軟件包目錄樹

圖5  FA526-Linux xconfig介面

構建內核
本節描述了如何為FA526架構生成內核的映像
配置內核
構建內核的第一步是配置內核。配置文件在目錄<TOPDIR>/.config
通常，用戶可能為了一些如下的因素要求重新配置FA526-Linux:
定制處理器和板子的功能：修改UART時鐘，系統時鐘等。
定制硬件設備：添加或刪除某些特殊設備。
定制內核功能：添加或刪除一個內核的功能，如網絡支持。

     
          圖6  FA526-Linux menuconfig介面                圖7   配置RAM-Disk的大小

Linux內核配置為配置這些可選項目提供了兩種常用方式：
轉換目錄至<TOPDIR>
1． 使用菜單顯示來選擇項目：
# make menuconfig
2． 使用GUI顯示來選擇項目：
# make xconfig
在圖5里，顯示了針對FA526和CPE開發板的FA526-Linux的xconfig 介面。 
在圖6里顯示了針對FA526和CPE開發板的FA526-Linux的menuconfig介面
FA526系統中的主要選項有以下幾種：
(CPE) ARM system type
默認值選中CPE開發板來支持Faraday CPE(Common Platform Environment)。
[*] Support FA526 processor
設置FA526系列處理器選項來支持FA526 CPU.
(FIE8100) Platform environment
選擇平臺設定：A320，FIE8100, FIE7000
(44000000) System clock
FIE8100的默認值是44MHz。開發人員必須根據實際的電路板設定來做調整。
(22118400) UART clock
FIE8100的UART時鐘是22.184MHz開發人員可根據實際的電路板設定來設置UART時鐘頻率。
Making內核
如果是第一次make Linux內核，你可以清除所有目標文件，并重新創建從屬文件(dependency)。如果要修改內核的配置，則需要調用“make dep”。操作步驟如下：
# make clean
# make dep
FA526-Linux 提供了內核腳本文件(shell-script) “mkbootp.sh”， 這可以使Make內核更容易。
# ./mkbootp.sh
此操作可創建名為bootpImage的最終內核映像文件(kernel image)和名為vmlinux 的內核ELF文件。以下操作是修改mkbootp.sh的一個例子：
1 使用定制的ram-disk: 為你的特殊規格的ramdisk修改“make bootpImage INITRD=<your ramdisk>”。可修改“Default RAM disk size”來滿足ramdisk的大小(見圖7). 可在“Block devices”配置界面里通過“make xconfig”來設置。
2 復制輸出映像到特定目錄: 在mkbootp.sh檔案上修改這一行“cp <source> <target>”以符合你的需求。
Mkbootp.sh的內容是：
“make bootpimage INITRD =/usr/src/arm-linux/images/ramdisk.gz”
“cp arch/arm/boot/bootpImage /tftpboot/mbootpImage”
建立ARMBOOT
FA526-Linux使用ARMBOOT來裝載操作系統。
配置ARMBOOT
FA526的ARMBOOT使用一個名為“faraday.h”配置文件來配置各種不同的硬件環境。此文件被放在 /usr/src/arm-linux/armboot-1.1.0/faraday.h。其可修改的內容和值包括(通常不需要改動)：
修改系統時鐘。對于MediaCreative!平臺，它的默認值是44MHz.
修改UART時鐘。對于MediaCreative!平臺，應是22.1184MHz.
修改Flash塊號。對于MediaCreative!平臺，Flash的塊號是1。
Marking Armboot
一旦你已經修改了MAC和IP,就可以通過以下的命令來建立ARMBOOT：
# cd /usr/src/arm-linux/armboot-1.1.0
# make
系統會在目錄里自動生成"armboot.bin"文件。你應該根據這個指令將armboot燒入到FIE8100的Flash器件里，并且編寫特定鏡像文件armboot.bin至Flash地址： 0x80400000.

FA526-Linux操作系統裝載工具(OS Loader)-ARMBOOT
作為Linux業界里最著名的OS Loader,ARMBOOT可以從終端協議(如:Kermit)來裝載鏡像文件和啟動Linux內核.它也可以提供Flash的使用方法和以太網TFTP的傳輸功能。

圖8  設置tftp 服務器

運行ARMBOOT
FA526-Linux軟件包提供的ARMBOOT代碼可執行以下任務：
Flash的編程
通過UART或以太網傳輸數據至PC
裝載或分配Linux內核
可從閃存(Flash)里或通過ICE來運行ARMBOOT
經由ICE運行ARMBOOT
可通過以下步驟：
1． 通過JTAG ICE連接FA526目標器和PC.
2． 打開AXD調試器,然后裝載armboot.bin到內存地址為0x0.
3． 設置指針到0x0,然后運行。
ARMBOOT 環境變量
ARMBOOT維持著一批用于各種功能的環境變量。可通過以下命令來顯示它們：
CPE> printenv
可通過命令“setenv name value”來設置環境變量，這里的“name”是環境變量名，“value”是你想設定的值。具體變量見表4。
表4  環境變量的描述

ARMBOOT命令之參考
在表5里，是ARMBOOT里最常用的幾個命令。也可在ARMBOOT的終端下鍵入"help"來顯示這些命令。

表5  ARMBOOT 命令集

通過ARMBOOT啟動FA526-Linux
在開發階段的許多部分里，開發人員必須要做前期規劃來修改或下載代碼直到得到想要的結果。在這樣的情況下，需要armboot來下載和運行代碼。具體步驟如下：
1．在Linux 主機上設置tftp服務器，并設置 /etc/xinetd.d/tftp. 如圖8所示。
2. 在此狀態下使用Linux making shell (mkbootp.sh)編譯代碼，并生成Linux代碼至目錄 /tftpboot. 要運行Linux代碼, 需按以下步驟執行：
* 重啟 FIE8100 開發板(MediaCreative!).
* 選擇 "90) GO ARMBOOT".
* 確認Linux-Host和FIE8100的IP地址是正確的, (printenv), 如圖9所示.
* 輸入命令：tftp 0x2000000 mbootpImage, 以下載代碼，如圖10所示.
* 通過命令“go 0x2000000“啟動Linux，將出現Linux 啟動的信息，如圖11所示。
Linux的使用：
在完成以上的操作后，armboot就燒入在MediaCreative!開發板上的Flash里了。要通過armboot來運行Linux操作系統對FIE8100平臺進行開發驗證，可執行以下操作：
* 開啟MediaCreative!開發板，運行“MPEG4 Burnin",會出現Linux運行選項，如圖12所示：
* 鍵入“空格”鍵，進入Linux操作系統，如圖13所示。

圖9 armboot的環境設置

圖10  從armboot下載Linux代碼

圖11 Linux 啟動信息

圖12 Linux 啟動選項界面

圖13 Linux 操作環境

結語

我們利用智原科技所提供的FIE8100的開發板上移植了Linux 2.4.19的操作系統。智原科技的ARM CPU在開發上與ARM的開發工具兼容，使移植的過程十分順利。FIE8100的外設又很完整，不管是UART口或是乙太網口都能利用。我們還會利用這個開發板實現MPEG4編解碼，并將編碼后的壓縮檔存在SD卡上，再將SD卡上的壓縮檔解碼播放到LCD屏。■