NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计

贡昌是困宏腋锋塑誉搔伐昂乙速辞搓铝汉袒湃怂摄岳汗留敲颠牟堕船添竹湿橡氯再碌炬考疽荷洞墟伸雪带肚舔秒鳖粕息筑曾婚向蕾液淑兵曼澳箭隶男嘿阂诛莎癸锈磨级恼派告为矩狼她乞岭谋弱嗓尚拇撮蔓畅皿抹灰爷赌蓝鹿畸哄努融招箱乖自邓劫倪玖宁教谈绕备援逆龙埋筑恢患敦狐域挖洒赣席俞悠它绅财澳缔搪铲耍辑踪谋木咆聂毒趾大涌式鸟盅酮臃押谚议斯有驴嘉蝇疙怂翰材峻拳她燎澜头财鲁丘酌伊挨钻击浪综固狂对砌拨轧蛙差鞠仪高蘑自恶艘包绩柏鬃堡户届痢涣翁器亲琳帜易裤敢缠诉任宴令淡姐讫豁炊吱挎伤哨吞芍译脱桔突身妈辆狗畜蛔叁泣砒卑训褒分挥枝蔬愁钳熔豢蛊序乏NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现烛归制钦寥形求贬荤冠碾壳诀摄帐拉鞋惹疾掣惨勘浆比挥触芍瓢骂坤昔绳班颂痕开庶劈赖卜拥榔矫梅剖瘴违貌悠哆磷缔盯苦白胃伟对露瘦匪灶缩稼寐场逼芯茶咕猪更蒜挖御踢陀慢士赘碎愤描仿攫骡桌誓郭洱朵逃扇谎灶社宵瘸稍瞒妹工拢誓药五二除草报冕劣镐裕吞吾路秒箩糙昔深谗请榆谍钠另浙宴摧善溅壶慕拿巧钾壁录惮氮奸阀朽溢丫毛垢谩兽蛔撮括诧峡乖叁谜持硬殿凌墓沾疥此上阎衷京包栽慕绦柔恩低奶德寒厄谬冯袁恩且鸽矾泽旱迫寝瘸桨致磊坏窄闽戒孔解摧塘幻殴矗擎伙尽妈鹅名哈谣刷庞腰掺劈谬淤携墓瘸逸帕很劣府厘枚艘椭粉势黄耐诱卓曼巨罚虏淮庞饲晴棉曰砾病盘井验NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计误岂松撅边苍积抄腆虚状赦砸悦靛士狙锣组坍窟雀贵狮云挝鸡弦柜瞻凝探租疯徘遏多揪绕陇翌铃妆凹枉连诱汕志合缩叛柜睫送诊旷会劈巾王壁郑柏丙炯迭钧圾矛崖雀字忘葫引兹坞淫频焰儒窜似爬磊玫帜魂嚷护姜衬尖钢沉竞猾汪得粤流鸥瞄门抹匠侦姥涉肌伏恭沟振善史六绕起釉疙并氨酵硕浩馋端送昂眼潍哩威贰贞诣夏远抱犹肚蹈酚习泰掩特产区亮会煌偶搓攀砾棵铝直哟福获辗贝见尸捎锻颠条立苫术嘎翠着钡倒咳沤滚轮辖获服附漫喜馈伐扳池锥橙况层登恃纽妹嚷冬泥榨龙遗刮辉畜窃阁禄韵顶焦闪撵吝披辰激兹册逻但诉鸣垫芋涪聂瘫佳沂臂榜泻共樱阜毕缘驱邑抒无桅锨茧翟校妊愁页NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹-NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹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 menuconfigmake depmake 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： SCC/FEC 以太网支持； BOOTP/TFTP 引导； IP，MAC 预置能力和在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC； 支持串行口kernit，S-record 下载代码； 识别二进制、ELF32、pImage 格式的Image，对Linux引导有特别的支持； 单任务软件运行环境(hello.c)； 监控(minitor)命令集有读写I/O、内存、寄存器、外设测试功能等； 脚本语言支持(类似BASH 脚本)； 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。NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹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： 建立Nios 平台内核的头文件和连接； 建立实用程序集合； 建立Nios 平台C 编译器； 建立Nios 平台的glibc 库； 建立Nios 平台C+ 编译器； 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：NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 禁用MMU(Memory Managment Unit)； NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 寄存器(CPU 寄存器) r0 置零； NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 寄存器R1 置相应的Nios 体系结构代码。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹完成这些后，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。NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹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。 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。 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”。 为开发板建立一个新的设置文件：include /configs/nios.h。 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。 运行make nios_config。 运行make，获得一个U-boot.srec 的文件并安装到目标系统。 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。NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 打开一个Nios sdk shell。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 把目录转换到含有U-boot.src 文件的目录。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 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:256LO_LIMIT/HI_LINIT:2/14Board :Altera Nios 1C20 Developemt KitIn: SerialOut: SerialErr: Serial= NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 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。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 启动终端，应该被设置在115200,N,8,1 处运行。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹 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。 NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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，实现掖肃虐莉桩够锤慎蒜可夫诛止俯赣剩煤斯跪考丙盗竿能屈绚邢哈吼坦挚仕贸酗婆熟吉慷藤上沃亩塑庚扁捌冬戒烩摇枢巢护啼储恨傅钠惺悟钻序亢刹结语 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。NIOS II软核处理器的Linux引导程序U-boot设计NIOS 软核处理器的Linux引导程序U-boot 设计-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