NIOS軟核處理器的Linux引導(dǎo)程序U-boot設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：U-boot bootloader uClinux Nios軟核
1 概述
1.1 Nios簡(jiǎn)介
Nios是Altera公司以RISC為基礎(chǔ)的可配置、可裁減軟核處理器。它具有16位指令集和16/32位數(shù)據(jù)通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的移種應(yīng)用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實(shí)現(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng)。其開發(fā)套件包括：具有必要外圍內(nèi)核的Nios處理器、C/C++編譯器、Cygnus的源級(jí)調(diào)試程序、Quartus編譯軟件、驗(yàn)證工具和開發(fā)板。
Nios軟核處理器主要特性包括：高效靈活的處理器模塊，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元（RISC結(jié)構(gòu)），并可選擇不同的內(nèi)部存儲(chǔ)器大小，其最高執(zhí)行速度可達(dá)50MHz；具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）；具有完整、廉價(jià)、便捷的開發(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（包括設(shè)計(jì)、調(diào)試）均通過軟件進(jìn)行，不再需要專門的硬件仿真器和編器，大大減少了開發(fā)設(shè)備的成本。
1.2 向Nios移植uClinux需要做的工作和步驟
（1）硬件需求
需要一個(gè)Altera公司的開發(fā)包，或者是下面三種之一：APEX board,STRATIX board,CYCLONE board。本文選用的是CYCLONAE board。
（2）軟件需求
下載一個(gè)最新版本的uClinux，并搭建一個(gè)Nios的GNU C編譯環(huán)境，準(zhǔn)備好CDK4Nios開發(fā)包。CDK4Nios開發(fā)包是Nios的交叉開發(fā)包。
（3）bootloader
需要編寫或移植一個(gè)bootloader到Altara Nios board上。本文就是要設(shè)計(jì)一個(gè)用于Nios的U-boot bootloader。利用QUARTUS軟件為開發(fā)板定義默認(rèn)參數(shù)，然后在開發(fā)板上測(cè)試U-boot。
（4）uClinux內(nèi)核的編譯
將下載好的uClinux源泉代碼解壓到/home目錄下，會(huì)產(chǎn)生/home/uClinux-dist目錄，進(jìn)入該目錄，依次鍵入：
make menuconfig
make dep
make
在/home/uClinux-dist/image目錄中產(chǎn)生image.rom,image.ram,romfs.img,它們分別是內(nèi)核的映像及文件系統(tǒng)的映像文件。鍵入make menuconfig時(shí)，會(huì)出現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)及內(nèi)核配置和文件系統(tǒng)應(yīng)用程序的配置界面，可以根據(jù)需要配置。
（5）uClinux的根文件系統(tǒng)及其加載
uClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，對(duì)于需要系統(tǒng)動(dòng)態(tài)保存的數(shù)據(jù)，采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。同時(shí)，uClinux內(nèi)核也支持各種文件系統(tǒng)，例如，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，在需要時(shí)可以進(jìn)行mount。
解決了上述問題以后，uClinux便可以成功地移植到Nios上。
1.3 U-boot介紹
U-boot是啟動(dòng)引導(dǎo)程序的一種，是一種通用的Linux bootloader。在做uClinux移植時(shí)，碰到的第一個(gè)問題就是移植bootloader或者自己編寫bootloader程序。Linux內(nèi)核啟動(dòng)部分的代碼需要判斷從bootloader傳遞過來的寄存器值。U-boot對(duì)Linux引導(dǎo)有特別的支持，如：
①SCC/FEC以太網(wǎng)支持；
②BOOTP/TFTP引導(dǎo)；
③IP，MAC預(yù)置能力和在線讀寫Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC；
④支持串行口kernit,S-record下載代碼；
⑤識(shí)別二進(jìn)制、ELF32、pImage格式的Image，對(duì)Linux引導(dǎo)有特別的支持；
⑥單軟件軟件運(yùn)行環(huán)境（hello.c）;
⑦監(jiān)控（minitor）命令集有讀寫I/O、內(nèi)存、寄存器、外設(shè)測(cè)試功能等；
⑧腳本語(yǔ)言支持（類似BASH腳本）；
⑨支持watchDog,LCDlogo,狀態(tài)指示功能等。
本文著重介紹uClinux向Nios軟核處理器移植過程中，U-boot的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
2 U-boot的設(shè)計(jì)
2.1 bootloader的設(shè)計(jì)思想
bootloader的設(shè)計(jì)除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，它實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。也就是說，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構(gòu)建的，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的bootloader程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，通常也都需要修改bootloader的源程序。從本質(zhì)上講，它不屬于操作內(nèi)核，它是針對(duì)不同的CPU體系結(jié)構(gòu)的，這一部分代碼不具有可移植性。在移植操作系統(tǒng)時(shí)，這部分代碼必須加以改寫。
bootloader引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，bootloader還擔(dān)任了與主機(jī)端通信的任務(wù)，它相當(dāng)于一個(gè)“服務(wù)器”，不斷監(jiān)聽從主機(jī)端傳來的控制信息和數(shù)據(jù)信息，完成相應(yīng)的操作。它擔(dān)負(fù)著初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)的雙重責(zé)任，也是在特定硬件平臺(tái)上操作系統(tǒng)移植至關(guān)重要的一點(diǎn)。
2.2 Nios內(nèi)核的U-boot設(shè)計(jì)方案
在主機(jī)上建立開發(fā)環(huán)境的具體步驟：
①建立Nios平臺(tái)內(nèi)核的頭文件和連接；
②建立實(shí)用程序集合；
③建立Nios平臺(tái)C編譯器；
④建立Nios平臺(tái)的glibc庫(kù)；
⑤建立Nios平臺(tái)C++編譯器；
⑥建立應(yīng)用程序的開發(fā)和測(cè)試。
所建立的開發(fā)環(huán)境結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
搭建完開發(fā)環(huán)境后，使用開發(fā)主機(jī)的并口為Nios開發(fā)板寫入引導(dǎo)程序作為系統(tǒng)啟動(dòng)和管理Flash的bootloader，也就是U-boot。該工具能為Nios平臺(tái)提供引導(dǎo)功能，并且能夠支持網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)試和簡(jiǎn)單的Flash文件系統(tǒng)，也是CPU開機(jī)后執(zhí)行的第一個(gè)程序，它的任務(wù)是將操作系統(tǒng)內(nèi)核（壓縮的或非壓縮的）裝載到內(nèi)核要求的地址中，然后讓出控制權(quán)。
Nios處理器允許操作系統(tǒng)改變內(nèi)核時(shí)鐘，以方便內(nèi)存對(duì)于時(shí)間的處理，所以U-boot的第一個(gè)任務(wù)就是配置處理器的時(shí)鐘，并進(jìn)行內(nèi)存存取設(shè)置。一旦內(nèi)存可以使用，就開始初始化相應(yīng)的堆棧。內(nèi)存初始化完成后，U-boot能使處理器上的串口中斷處理，以允許開發(fā)板通過串口與開發(fā)環(huán)境通信。此后，U-boot還必須完成三個(gè)基本工作：
*禁用MMU（Memory Management Unit）;
*寄存器（CPU寄存器）r0置零；
*寄存器R1置相應(yīng)的Nios體系結(jié)構(gòu)代碼。
完成這些后，U-boot的工作就完成了，可以通過用戶命令或者系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行下一步，U-boot將跳至內(nèi)存中內(nèi)核代碼開始處，開始啟動(dòng)內(nèi)核。流程圖如圖2所示。
3 Nios內(nèi)核的U-boot實(shí)現(xiàn)
為了達(dá)到將U-boot移植到Nios平臺(tái)上的目的，我們進(jìn)行以下操作。
①在makefile文件和make all script里增加一項(xiàng)設(shè)置選擇，仿照已經(jīng)存在的那些例子。
②建立一個(gè)存放開發(fā)板代碼的目錄，增加所需要的文件。在這個(gè)目錄里，至少有“makefile”,“nios.c“,"flash.c""u-boot.lds"。
③為開發(fā)板建立一個(gè)新的設(shè)置文件：include/configs/nios.h。
④如果移植U-boot到一個(gè)新的CPU，還需要建立一個(gè)放置CPU代碼的目錄。
⑤運(yùn)行make nios_config。
⑥運(yùn)行make，獲得一個(gè)U-boot.srec的文件并安裝到目標(biāo)系統(tǒng)。
⑦調(diào)試并解決可能產(chǎn)生的問題。
當(dāng)然，在修改U-boot代碼時(shí)，要特別注意和開發(fā)板及CPU相關(guān)的部分，要設(shè)置成專門的Nios配置。
CONFIG_Nios——定義了所有Nios32的板子。
CFG_Nios_CONSOLE—console UART的基地址。
CF G_GBL_DATA_OFFSET—在Nios移植中所用到全局變量的偏移量，簡(jiǎn)單來講是全局?jǐn)?shù)據(jù)的地址。
CFG_Nios_TMRBASE—計(jì)時(shí)器的基地址。
CFG_Nios_TMRIRQ——分配給計(jì)時(shí)器的中斷請(qǐng)求。
下面介紹如何用GERMS執(zhí)行U-boot。
在沒有將U-boot編入Flash之前，鍵入nios-run命令來運(yùn)行U-boot monitor，步驟如下：
*打開一個(gè)Nios sdk shell。
*把目錄轉(zhuǎn)換到含有U-boot.src文件的目錄。
*執(zhí)行下列命令：
$nios-run -r u-boot.srec
這時(shí)我們可以看到：
u-boot 1.0.0 pre(Jan 2004-07:36:40)
cpu nios-32 Rec3.18(03018)
Regfile Size:256
LO_LIMIT/HI_LINIT:2/14
Board:Altera Nios 1C20Developemt Kit
In:Serial
Out:Serial
Err:Serial
==>
*在下載完之后，GERMS monitor將自動(dòng)啟動(dòng)U-boot。可以看到U-boot命令符號(hào)“==>”，看到后，退出nios-run。
*啟動(dòng)終端，應(yīng)該被設(shè)置在115200，N，8，1處運(yùn)行。
*開始用U-boot了，試著從U-boot符號(hào)那里執(zhí)行help命令：
==>help
將U-boot放到Flash存儲(chǔ)器里，在U-boot的提示符下，進(jìn)行擦除Flash的一個(gè)區(qū)。
==>erase 40000 4ffff
把U-boot代碼裝載到RAM：把一個(gè)二進(jìn)制映像裝載到RAM。
==>loadb 800000
把這個(gè)二進(jìn)制映像從RAM拷貝到Flash。
==>cp.b80000 40000 10000
這樣，當(dāng)通過標(biāo)準(zhǔn)的32位設(shè)置后，開發(fā)板重置，U-boot自動(dòng)啟動(dòng)。若用安全模式下啟動(dòng)U-boot，輸入下列的GERMS命令：+g40000。
結(jié)語(yǔ)
U-boot bootloader是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐，相對(duì)于操作系統(tǒng)內(nèi)核來說，它是一個(gè)硬件抽象層。它負(fù)責(zé)初始化硬件，引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核，檢測(cè)各種參數(shù)給操作系統(tǒng)內(nèi)核使用。一個(gè)功能完備的大型bootloader的工作量，相當(dāng)于一個(gè)小型的操作系統(tǒng)。嵌入式領(lǐng)域中，操作系統(tǒng)移植的關(guān)鍵在于：bootloader的移植和操作系統(tǒng)內(nèi)核硬件相關(guān)部分移植。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的U-boot將大大提高操作系統(tǒng)移植的穩(wěn)定性，并大大加快操作系統(tǒng)移植的周期。
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