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NIOS軟核處理器的Linux引導程序U-boot設計
摘要：針對將cClinux向Nios處理器移植過程中的啟動加載程序U-bootbootloader進行研究。首先介紹移植的步驟，然后利用bootloader的設計思想，著重討論U-boot在Nios中的設計與實現，最后對U-boot在基于Linux的嵌入式系統中的運用作了探索和展望。關鍵詞：U-bootbootloaderuClinuxNios軟核
1概述
1.1Nios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：APEXboard,STRATIXboard,CYCLONEboard。本文選用的是CYCLONAEboard。
（2）軟件需求
下載一個最新版本的uClinux，并搭建一個Nios的GNUC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AltaraNiosboard上。本文就是要設計一個用于Nios的U-bootbootloader。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：
makemenuconfig
makedep
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makemenuconfig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。
1.3U-boot介紹
U-boot是啟動引導程序的一種，是一種通用的Linuxbootloader。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。
2U-boot的設計
2.1bootloader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。
2.2Nios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（MemoryManagementUnit）;
*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。
3Nios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makeallscript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makenios_config。
⑥運行m
ake，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—consoleUART的基地址。
CFG_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-bootmonitor，步驟如下：
*打開一個Niossdkshell。
*把目錄轉換到含有U-boot.src文件的目錄。
*執行下列命令：
$nios-run-ru-boot.srec
這時我們可以看到：
u-boot1.0.0pre(Jan2004-07:36:40)
cpunios-32Rec3.18(03018)
RegfileSize:256
LO_LIMIT/HI_LINIT:2/14
Board:AlteraNios1C20DevelopemtKit
In:Serial
Out:Serial
Err:Serial
==>
*在下載完之后，GERMSmonitor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。
==>erase400004ffff
把U-boot代碼裝載到RAM：把一個二進制映像裝載到RAM。
==>loadb800000
把這個二進制映像從RAM拷貝到Flash。
==>cp.b800004000010000
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-bootbootloader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。
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