1 概述

1.1 Nios 简介

Nios 是Altera 公司以RISC 为基础的可配置、可裁减软核处理器。它具有16 位指令集和16/32 位数据通路，通过将包括1 6 或3 2 位高性能处理器在内的多种应用模块嵌入到通用FPGA/CPLD 内，实现完全可配置的嵌入式系统。其开发套件包括：具有必要外围内核的Nios 处

理器、C/C++ 编译器、Cygnus 的源级调试程序、Quartus编译软件、验证工具和开发板。

Nios 软核处理器主要特性包括：高效灵活的处理器模块，可以通过软件配置成16 位或32 位的中央处理单元(RISC 结构) ，并可选择不同的内部存储器大小， 其最高执行速度可达50MHz ；具有多种其它功能模块的选择(SDRAM 控制器、UART 控制器、PCI 接口模块、LCD 接

口模块、MAC 接口模块等多种功能模块)；具有完整、廉价、便捷的开发系统。所有开发( 包括设计、调试) 均通过软件进行， 不再需要专门的硬件仿真器和编程器， 大大减少了开发设备的成本。

1.2 向Nios 移植uClinux 需要做的工作和步骤

(1)硬件需求

需要一个Altera 公司的开发包，或者是下面三种之一：APEX board，STRATIX board，CYCLONE board。本文选用的是CYCLONE board。

(2)软件需求

下载一个最新版本的uClinux，并搭建一个Nios 的GNU C 编译环境，准备好CDK4Nios 开发包。CDK4Nios开发包是Nios 的交叉开发包。

(3)bootloader

需要编写或移植一个bootloader 到Altera Nios board上。本文就是要设计一个用于Nios 的U-boot bootloader。

利用QUARTUS 软件为开发板定义默认参数， 然后在开发板上测试U-boot。

(4)uClinux 内核的编译

将下载好的uClinux 源代码解压到/home 目录下，会产生/home/uClinux-dist 目录，进入该目录，依次键入：

make menuconfig

make dep

make

在/home/uClinux-dist/image 目录中产生image.rom，image.ram，romfs.img，它们分别是内核的映像及文件系统的映像文件。键入make menuconfig 时，会出现开发平台及内核配置和文件系统应用程序的配置界面， 可以根据需要配置。

(5)uClinux 的根文件系统及其加载

uClinux 系统采用romfs 文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2 文件系统要求更少的空间。romfs 文件系统不支持动态擦写保存， 对于需要系统动态保存的数据，采用虚拟ram 盘的方法进行处理(ram 盘将采用ext2文件系统)。同时，uClinux 内核也支持各种文件系统，例如， 网络文件系统， 在需要时可以进行mount 。

解决了上述问题以后，uClinux 便可以成功地移植到Nios 上。

1.3 U-boot 介绍

U-boot 是启动引导程序的一种，是一种通用的Linuxbootloader。在做uClinux 移植时，碰到的第一个问题就是移植 bootloader或者自己编写 bootloader程序。Linux内核启动部分的代码需要判断从bootloader 传递过来的寄存器值。U-boot 对Linux 引导有特别的支持，如：

① SCC/FEC 以太网支持；

② BOOTP/TFTP 引导；

③ IP，MAC 预置能力和在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC；

④ 支持串行口kernit，S-record 下载代码；

⑤ 识别二进制、ELF32、pImage 格式的Image，对Linux引导有特别的支持；

⑥ 单任务软件运行环境(hello.c)；

⑦ 监控(minitor)命令集有读写I/O、内存、寄存器、外设测试功能等；

⑧ 脚本语言支持(类似BASH 脚本)；

⑨ 支持watchDog, LCD logo，状态指示功能等。

本文着重介绍uClinux 向Nios 软核处理器移植过程中，U-boot 的设计和实现。

2 U-boot 的设计

2.1 bootloader 的设计思想

bootloader 的设计除了依赖于 CPU 的体系结构外，它实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。也就是说， 对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种 CPU 而构建的， 要想让运行在一块板子上的bootloader 程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改 bootloader 的源程序。从本质上讲，它不属于操作内核， 它是针对不同的CPU 体系结构的， 这一部分代码不具有可移植性。在移植操作系统时，这部分代码必须加以改写。

bootloader 引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。通过这段小程序， 可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图， 从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态， 以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 在嵌入式系统开发中，bootloader 还担任了与主机端通信的任务， 它相当于一个“服务器”， 不断监听从主机端传来的控制信息和数据信息， 完成相应的操作。它担负着初始化硬件和引导操作系统的双重责任，也是在特定硬件平台上操作系统移植至关重要的一步。

2.2 Nios 内核的U-boot 设计方案

在主机上建立开发环境的具体步骤：

① 建立Nios 平台内核的头文件和连接；

② 建立实用程序集合；

③ 建立Nios 平台C 编译器；

④ 建立Nios 平台的glibc 库；

⑤ 建立Nios 平台C++ 编译器；

⑥ 建立应用程序的开发和测试。

所建立的开发环境结构图如图1 所示。

搭建完开发环境后，使用开发主机的并口为Nios 开发板写入引导程序作为系统启动和管理Flash 的bootloader，也就是U-boot。该工具能为Nios 平台提供引导功能，并且能够支持网络通信，调试和简单的Flash文件系统， 也是CPU 开机后执行的第一个程序。它的任务是将操作系统内核( 压缩的或非压缩的) 装载到内核要求的地址中， 然后让出控制权。

Nios 处理器允许操作系统改变内核时钟，以方便内存对于时间的处理，所以U-boot 的第一个任务就是配置处理器的时钟， 并进行内存存取设置。一旦内存可以使用， 就开始初始化相应的堆栈。内存初始化完成后，U -boot 能使处理器上的串口中断处理，以允许开发板通过

串口与开发环境通信。此后，U-boot 还必须完成三个基本工作：

• 禁用MMU(Memory Managment Unit)；
• 寄存器(CPU 寄存器) r0 置零；
• 寄存器R1 置相应的Nios 体系结构代码。

完成这些后，U-boot 的工作就完成了， 可以通过用户命令或者系统自动执行下一步，U-boot 将跳至内存中内核代码开始处， 开始启动内核。流程图如图2 所示。

3 Nios 内核的U-boot 实现

为了达到将U-boot 移植到Nios 平台上的目的，我们进行以下操作。

① 在makefile文件和make all script里增加一项设置选择, 仿照已经存在的那些例子。

② 建立一个存放开发板代码的目录，增加所需要的文件。在这个目路里，至少有“makefile”，“nios.c”，“flash.c”“u-boot.lds”。

③ 为开发板建立一个新的设置文件：include /configs/nios.h。

④ 如果移植U-boot 到一个新的CPU ，还需要建立一个放置CPU 代码的目录。

⑤ 运行make nios_config。

⑥ 运行make，获得一个U-boot.srec 的文件并安装到目标系统。

⑦ 调试并解决可能产生的问题。

当然，在修改U-boot 代码时，要特别注意和开发板及CPU 相关的部分，要设置成专门的Nios 配置。

CONFIG_Nios ——定义了所有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

全局变量的偏移量， 简单来讲是全局数据的地址。

CFG_Nios_TMRBASE ——计时器的基地址。

CFG_Nios_TMRIRQ ——分配给计时器的中断请求。

下面介绍如何用GERMS 执行U-boot 。

在没有将U-boot 编入Flash 之前，键入nios-run 命令来运行U-boot monitor，步骤如下。

• 打开一个Nios sdk shell。
• 把目录转换到含有U-boot.src 文件的目录。
• 执行下列命令:

  $ nios-run -r u-boot.srec

  这时我们可以看到:

  u-boot 1.0.0 pre (Jan 2004-07:36:40)

  cpu nios-32 Rec3.18(03018)

  RegfileSize:256

  LO_LIMIT/HI_LINIT:2/14

  Board :Altera Nios 1C20 Developemt Kit

  In: Serial

  Out: Serial

  Err: Serial

  ==>

• 在下载完之后，GERMS monitor 将自动启动Uboot。可以看到U-boot 命令符号"==>"，看到后，退出nios-run。
• 启动终端，应该被设置在115200,N,8,1 处运行。
• 开始用U-boot 了，试着从U-boot 符号那里执行help命令:==> help

  将U-boot 放到Flash 存储器里，在U-boot 的提示符下，进行擦除Flash 的一个区。

  ==> erase 40000 4ffff

  把U- boot 代码装载到RAM ：把一个二进制映像装载到RAM 。

  ==> loadb 800000

  把这个二进制映像从RAM 拷贝到Flash。

  ==>cp.b 800000 40000 10000

  这样，当通过标准的32 位设置后，开发板重置，Uboot自动启动。若用安全模式下启动U-boot，输入下列的GERMS 命令：+g 40000。

结语

U-boot bootloader 是操作系统和硬件的枢纽，相对于操作系统内核来说， 它是一个硬件抽象层。它负责初始化硬件， 引导操作系统内核， 检测各种参数给操作系统内核使用。一个功能完备的大型bootloader 的工作量，相当于一个小型的操作系统。嵌入式领域中， 操作系统移植的关键在于：bootloader 的移植和操作系统内核硬件相关部分移植。设计和实现一个好的U-boot 将大大提高操作系统移植的稳定性， 并大大加快操作系统移植的周期。