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。

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