NIOS软核处理器的Linux引导程序U-boot设计

摘要：针对将cClinux向Nios处理器移植过程中的启动加载程序U-boot bootloader进行研究。首先介绍移植的步骤，然后利用bootloader的设计思想，着重讨论U-boot在Nios中的设计与实现，对U-boot在基于Linux的嵌入式系统 中的运用作了探索和展望。

关键词：U-boot bootloader uClinux Nios软核

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16或32位高性能处理器在内的移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CYCLONAE board。

（2）软件需求

一个版本的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Altara 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

将好的uClinux源泉代码解压到/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

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Linux bootloader。在做uClinux移植时，碰到的个问题就是移植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：

①SCC/FEC以太网支持；

②BOOTP/TFTP引导；

③IP，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单软件软件运行环境（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,LCDlogo,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点。

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 Management 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。在这个目录里，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)

Regfile Size:256

LO_LIMIT/HI_LINIT:2/14

Board:Altera Nios 1C20Developemt Kit

In:Serial

Out:Serial

Err:Serial

==>

*在完之后，GERMS monitor将自动启动U-boot。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.b80000 40000 10000

这样，当通过标准的32位设置后，开发板重置，U-boot自动启动。若用安全模式下启动U-boot，输入下列的GERMS命令：+g40000。

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。