NIOS軟核處理器的Linux引導程序U-boot設計

關鍵詞：U-boot bootloader uClinux Nios軟核

1 概述

1.1 Nios簡介

Nios是Altera公司以RISC為基礎的可配置、可裁減軟核處理器。它具有16位指令集和16/32位數據通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內的移種應用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內，實現完全可配置的嵌入式系統。其開發套件包括：具有必要外圍內核的Nios處理器、C/C++編譯器、Cygnus的源級調試程序、Quartus編譯軟件、驗證工具和開發板。

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結構），并可選擇不同的內部存儲器大小，其最高執行速度可達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、便捷的開發系統。所有開發（包括設計、調試）均通過軟件進行，不再需要專門的硬件仿真器和編器，大大減少了開發設備的成本。

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Altera公司的開發包，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

下載一個最新版本的uClinux，并搭建一個Nios的GNU C編譯環境，準備好CDK4Nios開發包。CDK4Nios開發包是Nios的交叉開發包。

（3）bootloader

需要編寫或移植一個bootloader到Altara Nios board上。本文就是要設計一個用于Nios的U-boot bootloader。利用QUARTUS軟件為開發板定義默認參數，然后在開發板上測試U-boot。

（4）uClinux內核的編譯

將下載好的uClinux源泉代碼解壓到/home目錄下，會產生/home/uClinux-dist目錄，進入該目錄，依次鍵入：

make menuconfig

make dep

make

在/home/uClinux-dist/image目錄中產生image.rom,image.ram,romfs.img,它們分別是內核的映像及文件系統的映像文件。鍵入make menuconfig時，會出現開發平臺及內核配置和文件系統應用程序的配置界面，可以根據需要配置。

（5）uClinux的根文件系統及其加載

uClinux系統采用romfs文件系統，這種文件系統相對于一般的ext2文件系統要求更少的空間。romfs文件系統不支持動態擦寫保存，對于需要系統動態保存的數據，采用虛擬ram盤的方法進行處理（ram盤將采用ext2文件系統）。同時，uClinux內核也支持各種文件系統，例如，網絡文件系統，在需要時可以進行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是啟動引導程序的一種，是一種通用的Linux bootloader。在做uClinux移植時，碰到的第一個問題就是移植bootloader或者自己編寫bootloader程序。Linux內核啟動部分的代碼需要判斷從bootloader傳遞過來的寄存器值。U-boot對Linux引導有特別的支持，如：

①SCC/FEC以太網支持；

②BOOTP/TFTP引導；

③IP，MAC預置能力和在線讀寫Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC；

④支持串行口kernit,S-record下載代碼；

⑤識別二進制、ELF32、pImage格式的Image，對Linux引導有特別的支持；

⑥單軟件軟件運行環境（hello.c）;

⑦監控（minitor）命令集有讀寫I/O、內存、寄存器、外設測試功能等；

⑧腳本語言支持（類似BASH腳本）；

⑨支持watchDog,LCDlogo,狀態指示功能等。

本文著重介紹uClinux向Nios軟核處理器移植過程中，U-boot的設計和實現。

2 U-boot的設計

2.1 bootloader的設計思想

bootloader的設計除了依賴于CPU的體系結構外，它實際上也依賴于具體的嵌入式板級設備的配置。也就是說，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構建的，要想讓運行在一塊板子上的bootloader程序也能運行在另一塊板子上，通常也都需要修改bootloader的源程序。從本質上講，它不屬于操作內核，它是針對不同的CPU體系結構的，這一部分代碼不具有可移植性。在移植操作系統時，這部分代碼必須加以改寫。

bootloader引導加載程序是系統加電后運行的第一段軟件代碼。通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。在嵌入式系統開發中，bootloader還擔任了與主機端通信的任務，它相當于一個“服務器”，不斷監聽從主機端傳來的控制信息和數據信息，完成相應的操作。它擔負著初始化硬件和引導操作系統的雙重責任，也是在特定硬件平臺上操作系統移植至關重要的一點。

2.2 Nios內核的U-boot設計方案

在主機上建立開發環境的具體步驟：

①建立Nios平臺內核的頭文件和連接；

②建立實用程序集合；

③建立Nios平臺C編譯器；

④建立Nios平臺的glibc庫；

⑤建立Nios平臺C++編譯器；

⑥建立應用程序的開發和測試。

所建立的開發環境結構圖如圖1所示。

搭建完開發環境后，使用開發主機的并口為Nios開發板寫入引導程序作為系統啟動和管理Flash的bootloader，也就是U-boot。該工具能為Nios平臺提供引導功能，并且能夠支持網絡通信，調試和簡單的Flash文件系統，也是CPU開機后執行的第一個程序，它的任務是將操作系統內核（壓縮的或非壓縮的）裝載到內核要求的地址中，然后讓出控制權。

Nios處理器允許操作系統改變內核時鐘，以方便內存對于時間的處理，所以U-boot的第一個任務就是配置處理器的時鐘，并進行內存存取設置。一旦內存可以使用，就開始初始化相應的堆棧。內存初始化完成后，U-boot能使處理器上的串口中斷處理，以允許開發板通過串口與開發環境通信。此后，U-boot還必須完成三個基本工作：

*禁用MMU（Memory Management Unit）;

*寄存器（CPU寄存器）r0置零；

*寄存器R1置相應的Nios體系結構代碼。

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自動執行下一步，U-boot將跳至內存中內核代碼開始處，開始啟動內核。流程圖如圖2所示。

3 Nios內核的U-boot實現

為了達到將U-boot移植到Nios平臺上的目的，我們進行以下操作。

①在makefile文件和make all script里增加一項設置選擇，仿照已經存在的那些例子。

②建立一個存放開發板代碼的目錄，增加所需要的文件。在這個目錄里，至少有“makefile”,“nios.c“,"flash.c""u-boot.lds"。

③為開發板建立一個新的設置文件：include/configs/nios.h。

④如果移植U-boot到一個新的CPU，還需要建立一個放置CPU代碼的目錄。

⑤運行make nios_config。

⑥運行make，獲得一個U-boot.srec的文件并安裝到目標系統。

⑦調試并解決可能產生的問題。

當然，在修改U-boot代碼時，要特別注意和開發板及CPU相關的部分，要設置成專門的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，簡單來講是全局數據的地址。

CFG_Nios_TMRBASE―計時器的基地址。

CFG_Nios_TMRIRQ――分配給計時器的中斷請求。

下面介紹如何用GERMS執行U-boot。

在沒有將U-boot編入Flash之前，鍵入nios-run命令來運行U-boot monitor，步驟如下：

*打開一個Nios sdk shell。

*把目錄轉換到含有U-boot.src文件的目錄。

*執行下列命令：

$nios-run -r u-boot.srec

這時我們可以看到：

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將自動啟動U-boot。可以看到U-boot命令符號“==>”，看到后，退出nios-run。

*啟動終端，應該被設置在115200，N，8，1處運行。

*開始用U-boot了，試著從U-boot符號那里執行help命令：

==>help

將U-boot放到Flash存儲器里，在U-boot的提示符下，進行擦除Flash的一個區。

==>erase 40000 4ffff

把U-boot代碼裝載到RAM：把一個二進制映像裝載到RAM。

==>loadb 800000

把這個二進制映像從RAM拷貝到Flash。

==>cp.b80000 40000 10000

這樣，當通過標準的32位設置后，開發板重置，U-boot自動啟動。若用安全模式下啟動U-boot，輸入下列的GERMS命令：+g40000。

結語

U-boot bootloader是操作系統和硬件的樞紐，相對于操作系統內核來說，它是一個硬件抽象層。它負責初始化硬件，引導操作系統內核，檢測各種參數給操作系統內核使用。一個功能完備的大型bootloader的工作量，相當于一個小型的操作系統。嵌入式領域中，操作系統移植的關鍵在于：bootloader的移植和操作系統內核硬件相關部分移植。設計和實現一個好的U-boot將大大提高操作系統移植的穩定性，并大大加快操作系統移植的周期。