1 概述

　　1.1 Nios 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1 6 或3 2 位高性能處理器在內的多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程器， 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：APEX board，STRATIX board，CYCLONE board。本文選用的是CYCLONE board。

　　(2)軟件需求
   
　　下載一個版本的uClinux，并搭建一個Nios 的GNU C 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Altera Nios board上。本文就是要設計一個用于Nios 的U-boot bootloader。
   
　　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：
　　make menuconfig
　　make dep
　　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make menuconfig 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。

　　1.3 U-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：

　　① SCC/FEC 以太網支持；
　　② BOOTP/TFTP 引導；
　　③ IP，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 單任務軟件運行環境(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, LCD logo，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。

　　2 U-boot 的設計

　　2.1 bootloader 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步。

　　2.2 Nios 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(Memory Managment Unit)；
　　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。

　　3 Nios 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make all script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。在這個目路里，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make nios_config。
　　⑥ 運行make，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 —— console UART 的基地址。
　　CF G_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-boot monitor，步驟如下。

　　打開一個Nios sdk shell。
　　把目錄轉換到含有U-boot.src 文件的目錄。
　　執行下列命令:
　　$ nios-run -r u-boot.srec
　　這時我們可以看到:
　　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
　　==>
 
　　在下載完之后，GERMS monitor 將自動啟動Uboot。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。
　　==> erase 40000 4ffff
　　把U- boot 代碼裝載到RAM ：把一個二進制映像裝載到RAM 。
　　==> loadb 800000
　　把這個二進制映像從RAM 拷貝到Flash。
　　==>cp.b 800000 40000 10000
　　這樣，當通過標準的32 位設置后，開發板重置，Uboot自動啟動。若用安全模式下啟動U-boot，輸入下列的GERMS 命令：+g 40000。

　　結語
   
　　U-boot bootloader 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。