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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(xiàn)，最后對U-boot在基于Linux的嵌入式系統(tǒng)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(shù)據(jù)通路，通過將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的移種應用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實現(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的源級調試程序、Quartus編譯軟件、驗證工具和開發(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結構），并可選擇不同的內(nèi)部存儲器大小，其最高執(zhí)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(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（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(fā)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(fā)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(huán)境，準備好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(fā)板定義默認參數(shù)，然后在開發(fā)板上測試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，會產(chǎn)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(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makemenuconfig時，會出現(xiàn)開發(fā)平臺及內(nèi)核配置和文件系統(tǒng)應用程序的配置界面，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)不支持動態(tài)擦寫保存，對于需要系統(tǒng)動態(tài)保存的數(shù)據(jù)，采用虛擬ram盤的方法進行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。同時，uClinux內(nèi)核也支持各種文件系統(tǒng)，例如，網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，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(nèi)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(wǎng)支持；
�、贐OOTP/TFTP引導；
�、跧P，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；
�、葑R別二進制、ELF32、pImage格式的Image，對Linux引導有特別的支持；
�、迒诬浖浖\行環(huán)境（hello.c）;
�、弑O(jiān)控（minitor）命令集有讀寫I/O、內(nèi)存、寄存器、外設測試功能等；
�、嗄_本語言支持（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的設計和實現(xiàn)。
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(nèi)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(tǒng)時，這部分代碼必須加以改寫。
bootloader引導加載程序是系統(tǒng)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(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)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(jiān)聽從主機端傳來的控制信息和數(shù)據(jù)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(tǒng)的雙重責任，也是在特定硬件平臺上操作系統(tǒng)移植至關重要的一點。
2.2Nios內(nèi)核的U-boot設計方案
在主機上建立開發(fā)環(huán)境的具體步驟：
�、俳ios平臺內(nèi)核的頭文件和連接；
�、诮嵱贸绦蚣希�
�、劢ios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(fā)和測試。
所建立的開發(fā)環(huán)境結構圖如圖1所示。
搭建完開發(fā)環(huán)境后，使用開發(fā)主機的并口為Nios開發(fā)板寫入引導程序作為系統(tǒng)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(wǎng)絡通信，調試和簡單的Flash文件系統(tǒng)，也是CPU開機后執(zhí)行的第一個程序，它的任務是將操作系統(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。
Nios處理器允許操作系統(tǒng)改變內(nèi)核時鐘，以方便內(nèi)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(nèi)存存取設置。一旦內(nèi)存可以使用，就開始初始化相應的堆棧。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(tǒng)自動執(zhí)行下一步，U-boot將跳至內(nèi)存中內(nèi)核代碼開始處，開始啟動內(nèi)核。流程圖如圖2所示。
3Nios內(nèi)核的U-boot實現(xiàn)
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。
�、僭趍akefile文件和makeallscript里增加一項設置選擇，仿照已經(jīng)存在的那些例子。
�、诮⒁粋�存放開發(fā)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"。
�、蹫殚_發(fā)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。
�、葸\行makenios_config。
�、捱\行m
ake，獲得一個U-boot.srec的文件并安裝到目標系統(tǒng)。
⑦調試并解決可能產(chǎn)生的問題。
當然，在修改U-boot代碼時，要特別注意和開發(fā)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(shù)據(jù)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(zhí)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(zhí)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(zhí)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(qū)。
==>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(fā)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(tǒng)和硬件的樞紐，相對于操作系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)核，檢測各種參數(shù)給操作系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)。嵌入式領域中，操作系統(tǒng)移植的關鍵在于：bootloader的移植和操作系統(tǒng)內(nèi)核硬件相關部分移植。設計和實現(xiàn)一個好的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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