摘 要

嵌入式系统技术自从上个世纪60年代被提出以来，历经了几十年的发展，从最初只有4位单片机到现在市场上各种各样的嵌入式微控制器，从最初Intel公司推出的经典51内核到现在ARM公司推出的应用于各种场合的内核，从最初的简单固化的SoC到现在复杂可定制的FPGA。这些变化都标志着人们在嵌入式系统方面的需求在不断地提高，同时也标志着人们的生活水平也在不断地提高。

FPGA技术虽然在20世纪70年代早已经出现，但限于当时的技术，FPGA的性能并不是很强，所以也不是当时的技术主流，直到进入到21世纪，伴随着半导体工艺的迅速进步，FPGA技术也得到了迅速发展，性能也逐渐增强，再加上其可定制强和使用灵活的优势让它在嵌入式领域中的地位日益重要。Linux系统作为一款免费的优秀开源操作系统内核，由于其稳定性高，体积小以及易裁剪的特点，已经成为了嵌入式领域中应用最为广泛的操作系统之一。

本次课题研究的内容就是基于Nios II内核的嵌入式Linux系统的移植工作，利用Quartus II 9.0软件进行SoPC系统的设计，在Linux环境中编译操作系统源码，最后生成的镜像文件成功地运行在FPGA开发板中。

关键词：FPGA；Nios II微处理器；Linux操作系统

Abstract

Embedded system technology since the 20th century, 60 years has been put forward, after several decades of development, from the initial only four microcontrollers to the market now a wide variety of embedded microprocessors, from the original Intel introduced the classic 51 core At present, ARM has introduced a variety of applications for the kernel, from the initial simple firmware SoC to now complex customizable FPGA. These changes are marked by people in the embedded system requirements continue to improve, but also marks the people's living standards are constantly improving.

FPGA technology in the 20th century, 70 years has already appeared, but limited to the technology at that time, FPGA performance is not very strong, so it is not the mainstream technology, until entering the 21st century, along with the rapid progress of semiconductor technology, FPGA technology Has also been rapid development, performance has gradually increased, coupled with its customizable and flexible use of its advantages in the field of embedded systems in the increasingly important position.Linux system as a free excellent open source operating system kernel, because of its high stability, small size and easy to cut the characteristics of the embedded field has become one of the most widely used operating system.

The content of this research is based on Nios II kernel embedded Linux operating system transplantation, the use of Quartus II 9.0 software SoPC system design, compile the operating system in the Linux environment source code, and finally successfully run in the FPGA development board.

Keywords: FPGA; Nios II microprocessor; Linux operating system

目 录

摘 要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 课题研究的意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 嵌入式系统 2

1.2.2 现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 2

1.2.3 Nios II微处理器 3

1.2.4 嵌入式操作系统 3

1.3 课题主要研究内容 4

2 课题方案及工具选择 5

2.1 Quartus II软件介绍 5

2.2 芯片及开发板的选择 5

2.3 交叉编译器 7

2.4 嵌入式操作系统的选择 8

2.5 本章小结 9

3 SoPC系统的设计与实现 11

3.1 整体系统结构设计 11

3.2 SoPC系统的设计实现 12

3.2.1 新建Quartus II工程 12

3.2.2 Nios II软核及外设的设计 15

3.2.3 系统工程的编译 24

3.3 SoPC系统运行测试 24

3.4 本章小结 26

4 软件系统移植 28

4.1 Linux环境搭建 28

4.2 uClinux系统的编译 29

4.3 uClinux内核的下载及运行 31

4.4 本章小结 33

5 总结与体会 34

参考文献 35

致 谢 36

1 绪论

1.1 课题研究的意义

从20世纪嵌入式技术提出开始到如今，伴随着人们生活水平的不断提高，市场对于嵌入式系统功能的要求是越来越多，对于嵌入式微处理器性能的要求也越来越高。以前简单的片上系统（SoC）已经不能再适应如今的需求，随之而来的就是FPGA技术。进入到21世纪后，在半导体工艺技术的发展推动下，FPGA技术日趋成熟，FPGA器件的性能也在随之增强。FPGA技术将原来的片上系统（SoC）升级成了片上可编程系统（SoPC），它的出现既解决了原有的完全专用集成电路（ASIC）的不足，又解决了原有器件的逻辑门电路数目不够的缺点。正是因为FPGA的诸多优点，让它在嵌入式系统领域中的地位变得日益重要。

既然已经有了成熟的SoC技术，也有了成熟的FPGA技术，那么将这两种技术结合起来想法也就油然而生，这也造就了嵌入式软核微处理器的诞生。软核微处理器相比于硬核微处理器来说，可定制性更强，灵活性更高，这是因为硬核微处理器一旦由芯片公司生产完成，对于使用者来说就已经固化，微处理器和片上外设也不能再去更改，而软核微处理器则因为是基于FPGA器件也就是可编程器件进行设计的，所以使用者可以根据自己的需求对嵌入式微处理器以及片上外设进行选择设计，这给了用户更多的使用空间。软核的高度可定制性给基于可编程器件的软核应用带来了巨大的市场。