龍芯微處理器控制板在大學生設計競賽中的應用

（南京工業(yè)大學計算機學院 江蘇·南京 211816）

全國大學生電子設計競賽是教育部高等教育司、工業(yè)和信息化部人事教育司共同發(fā)起的大學生學科競賽之一，是面向大學生的群眾性科技活動，目的在于推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內(nèi)容的改革。經(jīng)過20多年的發(fā)展，全國大學生電子設計競賽已成為中國規(guī)模最大、參賽范圍最廣、極具影響力的針對在校本專科大學生的電子設計競賽，每年有超過4萬名大學生報名參與。

從具體試題來看，題目具有實用性強、綜合性強、技術水平發(fā)揮余地大的特點。涉及到電子信息類眾多的專業(yè)課程，如：低頻電路、高頻電路、數(shù)字電路、微機原理、電子測量、單片機、可編程邏輯器件、EDA設計等；同時涉及到很多實踐性教學環(huán)節(jié)，如：電子線路實驗課、微機原理實驗課、課程設計、生產(chǎn)實習等；可選用的器件也非常多，如：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、單片機、可編程邏輯器件等；設計手段廣泛采用現(xiàn)代電子設計方法與開發(fā)工具，如：VHDL語言、Xilinx Foundation Series EDA工具、單片機編程器等。

可以看出，電子設計競賽的試題既反映了電子技術的先進水平，又引導高校在教學改革中應注重培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新設計能力。

從列屆電子設計競賽的試題來看，可以歸納成7類，即：（1）電源類；（2）信號源類；（3）高頻無線電類；（4）放大器類；（5）儀器儀表類；（6）數(shù)據(jù)采集與處理類；（7）控制類。無論哪類題目，很多都要用到一個或多個基于微處理的控制板。

在電子設計競賽的準備階段，準備一款基于微處理的控制板，熟練掌握其功能和性能和開發(fā)方法，是非常必要的。

在此國產(chǎn)芯片替代大發(fā)展時期，使用一款具有自主知識產(chǎn)權的微處理，完成大學生電子設計競賽，是一件非常有意義事情，也是完成競賽題目的一個亮點。

龍芯中科致力于龍芯系列CPU設計、生產(chǎn)、銷售和服務。主要產(chǎn)品包括面向行業(yè)應用的“龍芯1號”小CPU、面向工控和終端類應用的“龍芯2號”中CPU、以及面向桌面與服務器類應用的“龍芯3號”大CPU。目前，龍芯面向網(wǎng)絡安全、辦公與信息化、工控及物聯(lián)網(wǎng)等領域與合作伙伴展開廣泛的市場合作，并在政府、能源、金融、交通、教育等行業(yè)領域取得了廣泛應用。選擇國內(nèi)自主知識產(chǎn)權、成熟可靠、有廣泛應用案例的龍芯微處理器做控制板，用于電子設計競賽中，從功能、性能和穩(wěn)定性等方面都是非常合適的。

1 龍芯1號制作的“智龍”開發(fā)板

“龍芯1號”系列的龍芯1C是基于GS232處理器核的高性價比單芯片系統(tǒng)，可應用于工業(yè)控制及物聯(lián)網(wǎng)等領域。龍芯1C包含浮點處理單元，支持多種類型的內(nèi)存，支持高容量的MLC NAND Flash。龍芯1C為開發(fā)者提供了豐富的外設接口及片上模塊，包括Camera控制器、USB OTG及USB HOST接口、AC97/I2S控制器、LCD控制器、SPI接口、UART接口等，提供足夠的計算能力和多應用的連接能力。用其制作的開發(fā)板如圖所示。

智龍開發(fā)板模塊分布圖

該控制板的微處理器為Loongson1C0300，使用了多種電源供電方式，可以專門5伏電源供電、也可使用USB接口供電。提供的JTAG/UART接口、MAC網(wǎng)絡接口、MicroSD卡接口、UART電平轉(zhuǎn)換RS232接口、并主要I/O接口通過兩排各40針的雙列直插接口引出，便于使用中的二次擴展應用。

2 控制板軟件開發(fā)

智龍開發(fā)板的內(nèi)核和文件系統(tǒng)是存放在板上的Flash芯片上的，也可以從SD卡、U盤或者網(wǎng)絡加載。智龍開發(fā)板Flash為1G，內(nèi)存為256M，無法安裝編譯工具鏈，因此智龍開發(fā)板的程序都是在宿主機上編譯后再通過網(wǎng)絡或其它存儲介質(zhì)將目標文件下載到開發(fā)板執(zhí)行。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境的搭建

交叉編譯環(huán)境，可以安裝有Linux操作系統(tǒng)的PC機上完成，也可以在使用Windows操作系統(tǒng)的計算機上安裝虛擬機，再在虛擬機里，安裝Linux操作系統(tǒng)。無論是在實體機上的Linux操作系統(tǒng)還是在虛擬機中的Linux操作系統(tǒng)中，后續(xù)的開發(fā)方法是一樣的。大家可以根據(jù)自己的習慣選擇一種方式。

Windows操作系統(tǒng)中安裝虛擬機，可以下載vmware player安裝，再下載ubuntu Linux桌面系統(tǒng)在虛擬機 vmware playe中安裝，并安裝VMwaretools，方便使用。安裝完畢后，創(chuàng)建用戶和密碼，Linux操作系統(tǒng)即可使用。

為了進行控制板上的嵌入式Linux程序開發(fā)，還需下載和安裝交叉編譯工具gcc-4.3-ls232。

2.2 PMON的編譯與燒寫

PMON是一個兼有BIOS和bootloader部分功能的開放源碼軟件，多用于嵌入式系統(tǒng)?；邶埿镜南到y(tǒng)采用pmon作為類BIOS兼bootloader，并做了很多完善工作。

當開發(fā)板從貼片廠下線，里面是沒有任何程序的，這時一般通過JTAG接口燒寫第一個程序，就是PMON，借助PMON可以使用網(wǎng)口或者SD卡下載更加復雜的系統(tǒng)程序等。

安裝編譯PMON的依賴工具 makedepend，下載源代碼pmon-ls1x-openloongson.tar.gz，使用交叉編譯工具執(zhí)行編譯命令，生成gzrom.bin。采用編程器，將gzrom.bin文件燒寫進開發(fā)板上的Flash芯片。

2.3 Linux內(nèi)核編譯和燒寫

該Linux內(nèi)核是要運行在目標開發(fā)板上的內(nèi)核鏡像文件。先下載內(nèi)核源碼包linux-3.0.82-openloongson.tar.gz，并解壓到相應目錄下。由于源碼中已經(jīng)全部配置好，通常不需要進行任何改動。如果需要根據(jù)特殊需求，對內(nèi)核進行重新進行定制化配置，則需要安裝圖形化配置工具Ncurses。運行該軟件進行內(nèi)容定制的配置工作。該工作牽涉面較廣，需要謹慎細致進行。

配置完內(nèi)核后，執(zhí)行編譯命令：make ARCH=mips CROSS_COMPILE=mipsel-linux-。編譯完成后，在當前目錄下生成內(nèi)核鏡像文件 vmlinux（未壓縮）和 vmlinuz（壓縮后），將開發(fā)板進入 PMON（在終端按住空格鍵，開機），先擦除數(shù)據(jù)，選擇其中一個內(nèi)核，燒寫入Flash存儲器中即可。

2.4 根文件系統(tǒng)構建與鏡像生成

應用在控制板上嵌入式Linux的文件系統(tǒng)，可以使用busybox來制作。busybox是一個集成了了一百多個最常用Linux命令和工具的軟件，還集成了一個http服務器和一個telnet服務器，其大小只有1M左右，且大小完全可定制性，提供靈活，宜于擴展的結構?？梢缘?http：//www.busybox.net/downloads/下載busybox。因為最新版本的busybox要依賴更新版的內(nèi)核頭文件，所以下載的版本不一定要最新，合適即可。

busybox可以重新配置和編譯，安裝到指定路徑下。進入該路徑下的rootfs目錄中，根據(jù)規(guī)則和實際情況，編輯幾個重要的文件 etc/inittab、etc/init.d/rc.sysinit、etc/fstab、etc/profile；復制busyBox文件和動態(tài)編譯要使用的庫文件。最終生成根文件系統(tǒng)rootfs。

下載mtd-utils-1.5.1.tar.bz2制作ubifs文件系統(tǒng)的工具，并安裝。使用mkfs.ubifs命令，將文件夾rootfs制作成UBIFS鏡像。使用ubinize命令可將使用mkfs.ubifs命令制作的UBIFS文件系統(tǒng)鏡像轉(zhuǎn)換成可直接在Flash上燒寫的格式（帶有UBI文件系統(tǒng)鏡像卷標）。將開發(fā)板進入PMON（在終端按住空格鍵，開機），在 PMON中先擦除數(shù)據(jù)，再燒寫根文件系統(tǒng)鏡像程序。

2.5 簡單應用程序編寫與運行

在上述控制板嵌入式Linux運行環(huán)境搭建完成的情況下，在開發(fā)用PC機中編寫應用程序，使用交叉編譯器編譯，將可執(zhí)行文件考入控制板Linux中，即可執(zhí)行。