NIOS软核处理器的Linux引导程序U-boot设计

时间：2023-03-19 03:08:29 理工毕业论文我要投稿

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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，最后对U-boot在基于Linux的嵌入式系统中的运用作了探索和展望。

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

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

将下载好的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

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Linux bootloader。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：

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

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