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wzjs 2025/7/21 14:21:11
广东网站建设公司网络服务,企业推广平台有哪些,zblog,dw超链接自己做的网站嵌入式系统中的Board Support Package (BSP)详解：以Xilinx Zynq为例 引言 在嵌入式系统开发中，硬件与软件的无缝集成至关重要。Board Support Package (BSP) 作为连接硬件和操作系统的桥梁，在这一过程中扮演着核心角色。本文将深入探讨BSP的…

嵌入式系统中的Board Support Package (BSP)详解：以Xilinx Zynq为例

引言

在嵌入式系统开发中，硬件与软件的无缝集成至关重要。Board Support Package (BSP) 作为连接硬件和操作系统的桥梁，在这一过程中扮演着核心角色。本文将深入探讨BSP的概念、组成部分及其在Xilinx Zynq平台上的应用，特别聚焦设备树和硬件抽象层(HAL)这两个关键组件，帮助您理解BSP如何简化嵌入式系统开发并提高开发效率。

BSP的基本概念

什么是BSP？

Board Support Package (BSP)是一组软件组件的集合，它为特定硬件平台提供基础支持，使操作系统能够在该硬件上正常运行。BSP封装了硬件细节，提供标准化接口，允许上层软件（如操作系统和应用程序）与底层硬件交互而无需了解硬件的具体实现。

在嵌入式系统软件层次结构中，BSP的位置如下：
在这里插入图片描述

应用软件↓
操作系统/中间件↓
Board Support Package (BSP)↓
硬件平台

BSP的组成部分

一个典型的BSP通常包含以下核心组件：

  1. 引导加载程序（Bootloader）：

    • 初始化关键硬件组件
    • 加载操作系统内核
    • 例如：FSBL (First Stage Boot Loader)、U-Boot等

  2. 设备驱动程序：

    • 为各种硬件外设提供操作接口
    • 包括UART、I2C、SPI、GPIO、以太网等驱动
    • 允许操作系统控制和使用这些设备

  3. 硬件初始化代码：

    • 配置时钟、电源管理和内存控制器
    • 设置中断控制器
    • 初始化关键系统组件

  4. 硬件抽象层（HAL）：

    • 提供硬件寄存器的抽象访问接口
    • 简化应用程序对硬件的操作
    • 提高代码可移植性

  5. 设备树：

    • 描述硬件配置的数据结构
    • 定义外设、内存映射和中断
    • 配置内核如何与硬件交互

  6. 内存映射表：

    • 定义硬件寄存器和内存区域的地址映射
    • 配置内存控制器和缓存
    • 设置内存保护单元

  7. 配置文件：

    • 系统参数定义
    • 编译和链接选项
    • 硬件配置信息

BSP的功能与职责

BSP在嵌入式系统中执行以下关键功能：

  1. 硬件抽象：隐藏硬件细节，提供统一接口
  2. 设备支持：通过驱动程序支持各种硬件外设
  3. 启动与初始化：确保系统正确启动和初始化
  4. 中断管理：处理和分发硬件中断
  5. 电源管理：控制系统电源状态
  6. 内存管理：配置和管理系统内存
  7. 调试支持：提供调试接口和工具

Xilinx Zynq平台概述

在深入Zynq BSP之前，先了解一下Xilinx Zynq平台的基本架构。

Zynq架构特点

Xilinx Zynq是一种异构系统级芯片(SoC)，集成了处理系统(PS)和可编程逻辑(PL)：

  1. 处理系统(PS)：

    • 包含ARM Cortex-A9双核处理器（Zynq-7000系列）或Cortex-A53四核处理器（Zynq UltraScale+系列）
    • 集成内存控制器、USB、以太网、UART等标准外设
    • 提供高性能通用计算能力

  2. 可编程逻辑(PL)：

    • 基于FPGA技术的可编程硬件
    • 可实现定制硬件加速器和接口
    • 提供灵活的硬件定制能力

  3. PS-PL接口：

    • 通过AXI接口连接处理系统和可编程逻辑
    • 支持高速数据传输
    • 实现软硬件协同设计

这种异构架构使Zynq平台非常适合需要高性能处理和硬件加速的嵌入式应用。

Zynq启动流程

Zynq平台的启动过程涉及多个阶段，BSP在其中扮演关键角色：

  1. BootROM：

    • 芯片内置的只读程序
    • 执行初始启动配置
    • 加载FSBL

  2. FSBL (First Stage Boot Loader)：

    • 初始化关键硬件（处理器、DDR、时钟等）
    • 加载FPGA比特流（如果有）
    • 加载第二阶段引导程序（通常是U-Boot）

  3. U-Boot：

    • 初始化更多硬件设备
    • 提供命令行界面
    • 加载操作系统内核和设备树

  4. 操作系统：

    • 接管系统控制
    • 初始化驱动程序
    • 启动应用程序

Xilinx Zynq的BSP详解

Zynq BSP的类型

Xilinx为Zynq平台提供了两种主要的BSP实现方式：

  1. 独立式BSP (Standalone BSP)：

    • 用于裸机应用或实时操作系统
    • 不依赖复杂的操作系统
    • 提供基本的硬件抽象层
    • 适合资源受限或实时要求高的应用

  2. 基于操作系统的BSP：

    • 支持Linux、FreeRTOS等操作系统
    • 提供完整的驱动程序和服务
    • 包含设备树和内核配置
    • 适合复杂应用和网络功能

Zynq Standalone BSP的组成

以Xilinx Vitis/SDK创建的Standalone BSP为例，其主要组件包括：

  1. 处理器初始化代码：

    • 初始化ARM处理器
    • 配置MMU、缓存和异常向量
    • 设置栈和堆

  2. 外设驱动库：

    • 提供访问UART、I2C、SPI等外设的API
    • 支持中断和DMA操作
    • 包含PS-PL接口驱动

  3. 系统库：

    • 提供标准C库函数
    • 包含数学函数和字符串处理
    • 支持内存分配和管理

  4. 启动代码：

    • 处理器复位后的入口点
    • 执行硬件初始化
    • 调用main函数

  5. 链接脚本：

    • 定义内存布局
    • 指定代码和数据段位置
    • 配置堆栈大小

Zynq Linux BSP的组成

使用PetaLinux工具创建的Linux BSP主要包括：

  1. FSBL：

    • 初始化基本硬件
    • 加载FPGA比特流
    • 加载U-Boot

  2. U-Boot：

    • 第二阶段引导加载程序
    • 提供环境变量和命令行界面
    • 加载Linux内核和设备树

  3. Linux内核：

    • 定制的Linux内核
    • 包含Zynq特定驱动程序
    • 支持PS和PL部分集成

  4. 设备树：

    • 描述硬件配置的数据结构
    • 定义外设、内存映射和中断
    • 配置内核如何与硬件交互

  5. 根文件系统：

    • 基本的Linux文件系统
    • 包含系统工具和库
    • 可选的应用程序和服务

BSP创建与定制

使用Xilinx工具创建BSP

Xilinx提供了多种工具来创建和定制BSP：

  1. 使用Vitis/SDK创建Standalone BSP：

    a. 创建硬件平台：

    • 使用Vivado设计硬件系统
    • 导出硬件描述到Vitis

    b. 创建BSP项目：

    • 在Vitis中创建新的应用项目
    • 选择"创建新的平台"选项
    • 导入硬件描述文件
    • 选择处理器（如PS7_cortexa9_0）

    c. 配置BSP设置：

    • 选择操作系统（如"standalone"）
    • 配置BSP选项（如stdout设备、堆栈大小等）
    • 选择需要的库和驱动程序

    d. 生成BSP：

    • Vitis自动生成BSP文件
    • 生成的BSP包含所有必要的驱动和库

  2. 使用PetaLinux创建Linux BSP：

    a. 创建PetaLinux项目：

    petalinux-create --type project --template zynq --name my_project

    b. 导入硬件描述：

    cd my_project
petalinux-config --get-hw-description=/path/to/hardware

    c. 配置Linux内核：

    petalinux-config -c kernel

    d. 配置根文件系统：

    petalinux-config -c rootfs

    e. 构建BSP：

    petalinux-build

    f. 打包BSP映像：

    petalinux-package --boot --format BIN --fsbl images/linux/zynq_fsbl.elf --u-boot

深入理解设备树（Device Tree）

设备树的基本概念

设备树是一种描述硬件配置的数据结构，它采用树状结构组织，包含节点和属性。在嵌入式Linux系统中，设备树已成为描述非x86架构硬件的标准方法，取代了早期的硬编码方式。

设备树的主要目的是将硬件描述与内核代码分离，使同一个内核镜像可以支持多种硬件配置，只需更换设备树文件即可。

设备树文件格式

设备树有三种主要文件格式：

  1. DTS (Device Tree Source)：

    • 人类可读的文本格式
    • 包含节点、属性和值
    • 使用类似C语言的语法

  2. DTB (Device Tree Blob)：

    • 编译后的二进制格式
    • 由内核直接解析
    • 通常由bootloader加载并传递给内核

  3. DTSI (Device Tree Source Include)：

    • 包含公共定义的源文件
    • 可被多个DTS文件包含
    • 用于代码复用

设备树在Zynq中的应用

在Zynq平台上，设备树负责描述：

  1. 处理系统(PS)外设：

    • 描述ARM核心、缓存、MMU等
    • 定义内存控制器和DDR配置
    • 配置UART、I2C、SPI、以太网等外设

  2. 可编程逻辑(PL)组件：

    • 描述用户创建的IP核
    • 定义AXI接口和中断映射
    • 配置PL时钟和电源域

  3. PS-PL接口：

    • 定义AXI互连配置
    • 映射PL中断到PS中断控制器
    • 配置DMA通道

设备树示例（Zynq相关部分）

以下是Zynq平台设备树的简化示例：

/ {compatible = "xlnx,zynq-7000";cpus {#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;cpu@0 {compatible = "arm,cortex-a9";device_type = "cpu";reg = <0>;clocks = <&clkc 3>;};cpu@1 {compatible = "arm,cortex-a9";device_type = "cpu";reg = <1>;clocks = <&clkc 3>;};};amba: amba {compatible = "simple-bus";#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;uart0: serial@e0000000 {compatible = "xlnx,xuartps";reg = <0xe0000000 0x1000>;interrupts = <0 27 4>;clocks = <&clkc 23>, <&clkc 40>;clock-names = "uart_clk", "pclk";};/* 其他PS外设节点... */};/* PL部分自定义IP */my_custom_ip: my_custom_ip@43c00000 {compatible = "vendor,my-custom-ip";reg = <0x43c00000 0x10000>;interrupts = <0 29 4>;};
};

在这个例子中：

  • 顶层节点定义了整个系统
  • cpus节点描述了双核Cortex-A9处理器
  • amba节点包含了AMBA总线上的PS外设
  • uart0节点描述了UART外设的基地址、中断号和时钟源
  • my_custom_ip节点描述了PL中的自定义IP核

设备树与内核驱动的关系

设备树与内核驱动程序之间存在密切的关系：

  1. 设备-驱动匹配：

    • 内核使用compatible属性匹配设备和驱动
    • 驱动程序通过设备树获取硬件配置信息
    • 无需修改驱动代码即可支持不同硬件配置

  2. 资源获取：

    • 驱动程序从设备树获取资源信息（地址、中断等）
    • 使用标准API访问这些资源
    • 例如：of_iomap()、of_irq_get()等

  3. 设备属性配置：

    • 通过设备树配置驱动行为
    • 定义设备特定参数
    • 支持运行时选项

硬件抽象层（HAL）详解

HAL的概念与目的

硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）是一种软件层，它隐藏了底层硬件的具体细节，提供标准化的API，使上层软件能够以一致的方式访问不同的硬件平台。

HAL的主要目的是：

  • 提高代码可移植性
  • 简化应用程序开发
  • 隐藏硬件复杂性
  • 标准化硬件访问接口

HAL的层次结构

HAL通常分为多个层次：

  1. 底层HAL：

    • 直接与硬件寄存器交互
    • 提供基本的读写操作
    • 实现最低级别的硬件控制

  2. 中间层HAL：

    • 提供设备级别的抽象
    • 实现通用功能（如中断管理）
    • 处理硬件特定的初始化和配置

  3. 上层HAL：

    • 提供面向应用的API
    • 实现高级功能（如DMA传输）
    • 隐藏平台特定的细节

Zynq Standalone BSP中的HAL实现

在Zynq的Standalone BSP中，HAL主要包括：

  1. 低级硬件访问函数：
    • 寄存器读写操作
    • 内存屏障和同步原语
    • 例如：Xil_In32()、Xil_Out32()
// 读取32位寄存器
static inline u32 Xil_In32(u32 Addr) {return *(volatile u32 *) Addr;
}// 写入32位寄存器
static inline void Xil_Out32(u32 Addr, u32 Value) {*(volatile u32 *) Addr = Value;
}
  1. 外设驱动API：
    • 设备初始化和配置
    • 数据传输和处理
    • 中断管理
// GPIO设备初始化
int XGpio_Initialize(XGpio *InstancePtr, u16 DeviceId) {XGpio_Config *ConfigPtr;// 查找设备配置ConfigPtr = XGpio_LookupConfig(DeviceId);if (ConfigPtr == NULL) {return XST_DEVICE_NOT_FOUND;}// 设置基地址和其他参数InstancePtr->BaseAddress = ConfigPtr->BaseAddress;// ...其他初始化代码...return XST_SUCCESS;
}// 设置GPIO方向
void XGpio_SetDataDirection(XGpio *InstancePtr, unsigned Channel, u32 DirectionMask) {// 计算寄存器地址u32 RegOffset = (Channel == 1) ? XGPIO_TRI_OFFSET : XGPIO_TRI2_OFFSET;// 写入方向寄存器Xil_Out32(InstancePtr->BaseAddress + RegOffset, DirectionMask);
}
  1. 系统服务：
    • 异常和中断处理
    • 缓存和MMU管理
    • 定时器和延迟函数
// 启用ARM处理器中断
void Xil_ExceptionEnable(void) {// 修改CPSR寄存器，启用中断asm volatile ("mrs r0, cpsr");asm volatile ("bic r0, r0, #0x80");asm volatile ("msr cpsr_c, r0");
}

Zynq Linux BSP中的HAL实现

在Linux BSP中，HAL的实现更加复杂，它通过内核的多层抽象实现：

  1. 内核硬件抽象：

    • 体系结构特定代码（arch/arm/）
    • 通用设备模型和驱动框架
    • 资源管理和分配

  2. 设备驱动框架：

    • 平台设备和驱动模型
    • 总线抽象（如PCI、I2C、SPI）
    • 通用子系统（如GPIO、DMA、时钟）

  3. 用户空间接口：

    • 设备文件（/dev/）
    • sysfs接口（/sys/）
    • ioctl调用

在Linux内核中，HAL的一个重要部分是设备驱动模型，它提供了统一的框架来管理设备和驱动程序。例如，Zynq的UART驱动：

static struct platform_driver cdns_uart_platform_driver = {.probe = cdns_uart_probe,.remove = cdns_uart_remove,.driver = {.name = CDNS_UART_DRIVER_NAME,.of_match_table = cdns_uart_of_match,.pm = &cdns_uart_pm_ops,},
};static int cdns_uart_probe(struct platform_device *pdev)
{struct resource *res;struct uart_port *port;int irq;// 从设备树获取资源res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);if (!res)return -ENODEV;// 获取中断号irq = platform_get_irq(pdev, 0);if (irq < 0)return irq;// 分配端口结构port = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*port), GFP_KERNEL);if (!port)return -ENOMEM;// 设置端口参数port->membase = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);port->irq = irq;// ...其他初始化代码...// 注册UART端口return uart_add_one_port(&cdns_uart_uart_driver, port);
}

BSP、设备树和HAL的关系

BSP、设备树和HAL这三个概念紧密相关，共同构成了嵌入式系统的软件基础。

他们之间的概念的关系，我们在下一篇博客中讨论

http://www.dtcms.com/wzjs/37825.html

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