基于FPGA嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能命令行模塊的設(shè)計(jì)

命令行是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的組件之一。它可以幫助開(kāi)發(fā)人員更方便的控制系統(tǒng)。在調(diào)試過(guò)程中，可以讓開(kāi)發(fā)人員隨時(shí)變更測(cè)試方法。

FPGA的成本越來(lái)越低，F(xiàn)PGA上的嵌入式系統(tǒng)（SOPC）也應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。但是相對(duì)其他成熟的計(jì)算機(jī)體系，SOPC系統(tǒng)現(xiàn)在還沒(méi)有命令行。為了更好的推廣SOPC應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能的命令行模塊，可以調(diào)用系統(tǒng)中的任意函數(shù)，降低了開(kāi)發(fā)人員的使用難度。在最小配置時(shí)，它只有大約1000行代碼，占用14KB存儲(chǔ)容量，可以放在完全由FPGA片內(nèi)資源構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。它的結(jié)構(gòu)也具有很好的擴(kuò)展性，開(kāi)發(fā)人員可以結(jié)合自己的需求，輕松添加命令，豐富它的特性。

命令行框架設(shè)計(jì)

1 總體設(shè)計(jì)

好的命令行要具有擴(kuò)展性，開(kāi)發(fā)人員能輕松添加自己的命令；也要傻瓜化，簡(jiǎn)單易于使用。

為了達(dá)到這兩個(gè)目的，可采用編譯器創(chuàng)建的數(shù)組作為命令的總索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為每條命令創(chuàng)建一個(gè)變量，指定它放在一個(gè)命令行專用的段中；其中用段“shell_cmd_tab”存放用戶主動(dòng)創(chuàng)建的命令；用段“shell_cmd_tab_auto”存放系統(tǒng)中所有全局函數(shù)。創(chuàng)建變量只需調(diào)用宏SHELL_CMD_DECL，提供命令名、命令說(shuō)明和函數(shù)名即可。這樣就可以實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言函數(shù)、變量、段、內(nèi)存區(qū)域的自動(dòng)映射過(guò)程。

命令的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。

為了簡(jiǎn)化命令的創(chuàng)建，定義下面這個(gè)宏來(lái)創(chuàng)建命令。

#define SHELL_CMD_DECL（name， usage， func） ncommand_t _shell_cmd_tab_##func _attribute_ （ （section（ “.shell_cmd_tab”） ） ）={ name， usage， func }; // small memory version

創(chuàng)建命令的實(shí)例如下：SHELL_CMD_DECL（“dump”， “Shows a memory dump”， hexdump）;

2 連接腳本

在連接腳本里指定段的位置是簡(jiǎn)化命令行使用流程的關(guān)鍵。GCC使用PROVIDE定義變量。筆者使用PROVIDE定義了各個(gè)段的起始地址和結(jié)束地址，從而可以在代碼中使用段地址查詢到所有命令。在編譯器使用的連接腳本中添加如下行定義函數(shù)表。

.shell ：

{

PROVIDE （__ram_shell_start = ABSOLUTE（。））;

。 = ALIGN（32 / 8）;

PROVIDE （__ram_shell_cmd_tab_begin = ABSOLUTE（。））;

*（.shell_cmd_tab .shell_cmd_tab.*）

PROVIDE （__ram_shell_cmd_tab_end = ABSOLUTE（。））;

PROVIDE （__ram_shell_cmd_tab_auto_begin = ABSOLUTE（。））;

*（.shell_cmd_tab_auto .shell_cmd_tab_auto.*）

PROVIDE （__ram_shell_cmd_tab_auto_end = ABSOLUTE（。））;

*（.shell .shell.*）

。 = ALIGN（32 / 8）;

PROVIDE （__ram_shell_end = ABSOLUTE（。））;

} 》 ddr_sdram

3 動(dòng)態(tài)函數(shù)表創(chuàng)建

由工具自動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)中的全局函數(shù)創(chuàng)建的命令被稱為自動(dòng)命令。自動(dòng)命令使用戶可以在命令行中調(diào)用任意普通函數(shù)，即使開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有聲明這些函數(shù)為命令。自動(dòng)命令也需要一個(gè)數(shù)組包含系統(tǒng)中所有全局函數(shù)的信息，這個(gè)表為動(dòng)態(tài)函數(shù)表。使用一個(gè)腳本根據(jù)系統(tǒng)的可執(zhí)行文件自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)函數(shù)表。要先編譯軟件，生成可執(zhí)行文件；再調(diào)用腳本創(chuàng)建動(dòng)態(tài)函數(shù)表；最后再編譯出包含動(dòng)態(tài)函數(shù)表的可執(zhí)行文件。

在腳本中先使用GNU的nm工具從可執(zhí)行文件導(dǎo)出所有全局符號(hào)，再使用grep提取出包括函數(shù)名的行，接著使用cut刪除函數(shù)名前的地址信息，使用sed將字符T替換為創(chuàng)建命令的宏SHELL_CMD_DECL_AUTO，并在行尾添加括號(hào)。最后將所有這些信息寫(xiě)入一個(gè)C源代碼文件，交給編譯器編譯，就能得到一個(gè)動(dòng)態(tài)函數(shù)表。

4 自動(dòng)命令參數(shù)個(gè)數(shù)

為了便于開(kāi)發(fā)人員使用，自動(dòng)命令最好能適應(yīng)所有函數(shù)類型，假設(shè)都是unsigned int的函數(shù)類型。對(duì)于可以成功轉(zhuǎn)化為unsigned int類型整數(shù)的參數(shù)，將真實(shí)的值傳遞給函數(shù)；對(duì)于其他參數(shù)，則將參數(shù)作為一個(gè)字符串傳遞給函數(shù)。

5 字符輸入

命令行從標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備中獲取字符。命令行只接受可打印的字符和特定的控制字符。如果收到了回車(chē)或者換行字符，代表用戶完成了命令輸入，就解析命令。解析命令前，去掉多余的空格符（0x20），即不允許有連續(xù)的兩個(gè)或多個(gè)空格符存在，命令的最后也不能有空格符。

6 參數(shù)解析

命令行模塊要從用戶輸入的字符串中解析出命令名和參數(shù)。為命令提供與DOS和Linux類似的兩個(gè)參數(shù)，argc和argv。argc表示參數(shù)的個(gè)數(shù)；argv是字符串指針的數(shù)組，最多10個(gè)字符串。argv［0］是第一個(gè)參數(shù)，argv［1］是第二個(gè)參數(shù)，如此類推。

7 函數(shù)解析

在代碼中使用SHELL_CMD_DECL創(chuàng)建了命令列表，使用工具創(chuàng)建了自動(dòng)命令列表。這兩個(gè)表實(shí)際上都是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ncommand_t的數(shù)組，其中有命令名和函數(shù)地址的信息。解析函數(shù)實(shí)際上就是根據(jù)在這兩個(gè)數(shù)組中依次比較函數(shù)名。如果用戶輸入的命令名和數(shù)組中的命令名一致，就使用對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址。

8 命令執(zhí)行

得到函數(shù)地址后，就可以執(zhí)行命令對(duì)應(yīng)的函數(shù)。對(duì)于主動(dòng)創(chuàng)建的命令，使用argc和argv作為參數(shù)。對(duì)于自動(dòng)命令，命令行模塊先嘗試將原始參數(shù)轉(zhuǎn)換無(wú)符號(hào)整數(shù)。如果成功，使用無(wú)符號(hào)整數(shù)作為參數(shù)；如果不成功，則將原始參數(shù)的地址作為參數(shù)，實(shí)際上是一個(gè)字符串。

命令設(shè)計(jì)

完成總體設(shè)計(jì)后，就可以逐個(gè)添加開(kāi)發(fā)需要的命令了。

● 幫助命令用于顯示所有命令名及其用法。

● IO命令用來(lái)訪問(wèn)輸入輸出設(shè)備的寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。

● 存儲(chǔ)器命令用來(lái)顯示、修改存儲(chǔ)器的值。最基本的包括：dump命令顯示指定位置的內(nèi)存的值；modify命令用來(lái)修改指定內(nèi)存單元的值。

● 用戶在使用過(guò)程中，會(huì)使用很多命令。能夠查詢歷史命令、循環(huán)執(zhí)行歷史命令將給用戶帶來(lái)很多方便。因此筆者實(shí)現(xiàn)了三條命令。history_show用來(lái)顯示所有已經(jīng)使用了的命令；history_del用來(lái)刪除指定的歷史命令；history_exec用來(lái)執(zhí)行指定的歷史命令。

優(yōu)化處理

Altera提供了簡(jiǎn)化版的輸出函數(shù)alt_printf來(lái)替代printf，降低了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，筆者在命令行中也支持這個(gè)這個(gè)函數(shù)。命令行的代碼中，只調(diào)用SHELL_PRINT；在頭文件中，根據(jù)用戶設(shè)置，SHELL_PRINT使用標(biāo)準(zhǔn)的printf或者簡(jiǎn)化的alt_printf。如果使用簡(jiǎn)化的alt_printf，這個(gè)命令行占用的內(nèi)存小于14KB。

在SOPC系統(tǒng)中的應(yīng)用

Altera為SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境NIOS II IDE附帶了多個(gè)軟件實(shí)例。在使用這些軟件實(shí)例時(shí)，用戶只需要選擇模塊，完全不用新編代碼，非常簡(jiǎn)單。

智能命令行模塊也可以作為NIOS II IDE的一個(gè)實(shí)例。先在“nios2edsexamplessoftware”目錄下為命令行創(chuàng)建一個(gè)子目錄shell_standard，再以其他軟件實(shí)例的template.xml為模板創(chuàng)為命令行建一個(gè)template.xml文件，然后復(fù)制命令行模塊的所有文件到這個(gè)目錄中。這樣，用戶在創(chuàng)建工程時(shí)，直接選中智能命令行模板，就可以使用智能命令行模塊了。

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