uClinux在Nios II嵌入式平臺(tái)上的移植研究

1. Nios II嵌入式處理器

Nios II是運(yùn)行在FPGA上的五級(jí)流水線、單指令的RISC處理器，它專門針對(duì)Altera的可編程邏輯器件及片上可編程的設(shè)計(jì)思想做了相應(yīng)的優(yōu)化。作為一種可配置的精減的RISC處理器，它可以與用戶自定義邏輯結(jié)合構(gòu)成SOPC系統(tǒng)，并下載到Altera的可編程器件中。32位的Nios II軟核，結(jié)合外部閃存以及大容量存儲(chǔ)器，可以構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)。此外，利用Altera提供的IDE(Integrated development envirONment)開(kāi)發(fā)工具 可以方便的在調(diào)試模式下調(diào)試處理器，提高開(kāi)發(fā)的速度。

作者使用Cyclone II版Nios II應(yīng)用開(kāi)發(fā)板Nios-DEVKIT-2C35 作為移植實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，開(kāi)發(fā)板主要包括Cyclone II EP2C35器件、EPM7128AE CPLD配置控制邏輯、存儲(chǔ)器、串行配置連接器、FPGA和CPLD的JTAG接口等。

2. 移植

2.1. uClinux嵌入式操作系統(tǒng)

uClinux是Linux的一個(gè)嵌入式版本，它經(jīng)過(guò)小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux，并保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。最新的2.6版本在內(nèi)核主體中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)，其中有三個(gè)最顯著的改進(jìn)：采用可搶占內(nèi)核、更加有效的調(diào)度算法以及同步性的提高 。

2.1.1. uClinux操作系統(tǒng)的移植

uClinux源代碼絕大部分都是使用的C語(yǔ)言，只有那些直接與處理其硬件相關(guān)的代碼如開(kāi)關(guān)CPU中斷等操作才采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，因此uClinux具有很好的移植性。一般來(lái)說(shuō)，uClinux的移植大致分為三類：

1) 結(jié)構(gòu)層次的移植。如果待移植的處理器結(jié)構(gòu)不同于任何已經(jīng)支持的處理器結(jié)構(gòu)，則需要修改linux/arch目錄下的相關(guān)處理器結(jié)構(gòu)的文件。uClinux內(nèi)核代碼的大部分是獨(dú)立于處理器和其體系結(jié)構(gòu)的，但是其最底層的代碼也是特定于各個(gè)系統(tǒng)的。他們的中斷處理上下文、內(nèi)存維護(hù)、任務(wù)上下文和初始化過(guò)程都是獨(dú)特的。對(duì)一個(gè)新型的體系，其下層程序可以模仿與其相似的體系程序編寫(xiě)。

2) 平臺(tái)層次的移植。待移植處理器是某種uClinux已支持體系的分支處理器，即如果待移植的處理器是基于Nios II內(nèi)核的，而Nios II內(nèi)核已經(jīng)被uClinux支持，則需要在相關(guān)體系結(jié)構(gòu)目錄platform下建立相應(yīng)目錄并編寫(xiě)相應(yīng)代碼，這些代碼主要是跟蹤程序(實(shí)現(xiàn)用戶程序到內(nèi)核函數(shù)的接口等功能)、中斷控制調(diào)度程序和內(nèi)存初始化程序等。

3) 板級(jí)移植。如果所用處理器(如Cyclone II版本系列)已經(jīng)被uClinux支持的話，就只需要板級(jí)移植了。板級(jí)移植需要修改或添加linux/arch/Nios2nommu/scripts目錄中的文件，該目錄中主要是與具體硬件平臺(tái)相關(guān)的配置，可以利用Nios II自帶的SOPC Builder軟件生成具體平臺(tái)對(duì)應(yīng)的配置文件。

對(duì)于uClinux已經(jīng)支持的硬件架構(gòu)，移植的過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要考慮修改與硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)相關(guān)的具體因素，如內(nèi)存大小、外圍設(shè)備的配置等。一般現(xiàn)在做的大部分移植都是平臺(tái)層次移植和板級(jí)移植。

2.1.2. initramfs文件系統(tǒng)

作者使用的uClinux 2.6操作系統(tǒng)中，用initramfs文件系統(tǒng)取代了以前的romfs文件系統(tǒng)。

1. romfs文件系統(tǒng)。romfs文件系統(tǒng)是在uClinux 2.4以及之前版本廣泛用到的文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2/ext3文件系統(tǒng)要求更少的空間。romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬RAM盤的方法進(jìn)行處理(RAM盤采用ext2/ext3文件系統(tǒng))。

2. initramfs文件系統(tǒng)[2]。initramfs是在2.5版本內(nèi)核中引入的技術(shù)，它的基本思想是：在內(nèi)核鏡像中附加一個(gè)cpio包，cpio包中包含了一個(gè)小型的文件系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)核將cpio包解開(kāi)，并且將其中包含的文件系統(tǒng)作為初始的根文件系統(tǒng)，內(nèi)核中的一部分初始化代碼會(huì)放到這個(gè)文件系統(tǒng)中作為用戶層進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。這樣帶來(lái)的明顯的好處是精簡(jiǎn)了內(nèi)核的初始化代碼，例如尋找真正的啟動(dòng)盤、啟動(dòng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)安裝、ACPI的安裝等，這些代碼都可以從內(nèi)核中移出，把它們都轉(zhuǎn)移到用戶空間完成，這樣使得開(kāi)發(fā)者在用戶層就可以定制自己的啟動(dòng)過(guò)程，而不需要去修改內(nèi)核代碼，使定制啟動(dòng)過(guò)程變得更加容易。

2.2. 開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

1. 建立交叉編譯環(huán)境?？梢栽趗Clinux官方網(wǎng)站下載支持Nios II的交叉編譯開(kāi)發(fā)工具包，包括Nios2-linux-uclibc-gcc、Nios2-linux-uclibc-ld、Nios2-linux-uclibc-objdump等。

安裝好交叉編譯工具包后，要在宿主PC上的Linux系統(tǒng)的環(huán)境變量中(一般修改~/.bash_profile文件)，添加對(duì)Nios II交叉編譯環(huán)境的支持，這樣在以后的開(kāi)發(fā)中，就可以正常編譯在Nios II嵌入式平臺(tái)下運(yùn)行的程序了。

2. 內(nèi)核的下載和燒寫(xiě)。在最初的調(diào)試中，是通過(guò)JTAG把內(nèi)核下載到開(kāi)發(fā)板，Nios II平臺(tái)的硬件邏輯也是通過(guò)JTAG燒進(jìn)開(kāi)發(fā)板，等到最后硬件邏輯測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題，以及uClinux操作系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行正常后，就可以制作帶bootloader的內(nèi)核，燒入flash中。

2.3. 引導(dǎo)程序

引導(dǎo)程序(即bootloader)就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，它在硬件復(fù)位后首先被執(zhí)行。主要工作是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備合適的環(huán)境。通常引導(dǎo)程序嚴(yán)重地依賴于硬件，每種CPU體系結(jié)構(gòu)都用不同的啟動(dòng)代碼。此外，引導(dǎo)程序還依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置，如硬件地址分配，RAM芯片類型等。bootloader擔(dān)負(fù)著初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)的雙重責(zé)任，也是在特定硬件平臺(tái)操作系統(tǒng)移植至關(guān)重要的一步。

對(duì)于作者使用的Nios II應(yīng)用開(kāi)發(fā)板，引導(dǎo)程序主要完成以下幾項(xiàng)工作：

1) 矢量表初始化。

2) 初始化硬件(I/O口和控制器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘)。

3) 將操作系統(tǒng)內(nèi)核從Flash指定位置拷貝到RAM中。

4) 軟件初始化：建立堆棧和初始化數(shù)據(jù)段，建立C的運(yùn)行環(huán)境。

5) 讓CPU轉(zhuǎn)入RAM中指定的位置(即操作系統(tǒng)內(nèi)核)開(kāi)始執(zhí)行。

其中，第二步主要初始化處理器的一些控制或狀態(tài)寄存器、時(shí)鐘、I/O口、RAM等這些內(nèi)核必須用到的設(shè)備。第三步中uClinux內(nèi)核加載可以直接從flash某個(gè)地址開(kāi)始逐句執(zhí)行或者加載到內(nèi)存中運(yùn)行。作者采用的是后一種方法，即先把flash中的操作系統(tǒng)內(nèi)核全部復(fù)制到內(nèi)存中，再?gòu)膬?nèi)存中運(yùn)行操作系統(tǒng)，因?yàn)閮?nèi)核大小一共不到1.5M字節(jié)，從flash復(fù)制到RAM中花的時(shí)間很少(幾百毫秒)，很快就會(huì)完成，該方法也比較容易實(shí)現(xiàn)。

圖1是作者的bootloader運(yùn)行的主要流程：

圖1 bootloader程序主要流程

2.4. uClinux操作系統(tǒng)映像的構(gòu)建

引導(dǎo)程序執(zhí)行完畢后，處理器就開(kāi)始執(zhí)行真正的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)行跟開(kāi)發(fā)板的硬件配置有著緊密的聯(lián)系。只有正確的配置操作系統(tǒng)內(nèi)核，它才會(huì)正確利用硬件資源。由于2.6版本的uClinux已經(jīng)支持了Nios II處理器，所以移植過(guò)程主要是板級(jí)移植。

首先，利用Nios II的配套開(kāi)發(fā)軟件Quartus II新建一個(gè)工程，用SOPC builder設(shè)計(jì)好自己的硬件邏輯，編譯后會(huì)生成兩個(gè)跟硬件平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的硬件邏輯的文件，其中，*.sof文件是燒入開(kāi)發(fā)板中并運(yùn)行于其中的硬件邏輯，另外一個(gè)*.ptf文件是用于生成跟硬件平臺(tái)相適應(yīng)的uClinux內(nèi)核。

然后，在宿主PC的Linux環(huán)境下，把*.ptf文件通過(guò)相關(guān)命令導(dǎo)入內(nèi)核配置中，硬件平臺(tái)的配置內(nèi)容就會(huì)在linux/arch/Nios2nommu/scripts文件夾下生成，接著就可以通過(guò)make menuconfig 命令配置uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核，具體相關(guān)選項(xiàng)的選擇，要跟自己的硬件平臺(tái)相同。

最后，在配置好內(nèi)核后，就可以直接編譯生成uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核映像文件，把*.sof文件通過(guò)JTAG燒入開(kāi)發(fā)板中，把內(nèi)核映像文件通過(guò)JTAG燒入SDRAM中，一個(gè)uClinux操作系統(tǒng)就可以在Nios II開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行起來(lái)了。

圖2是正確配置uClinux內(nèi)核后的操作系統(tǒng)啟動(dòng)信息，打印信息是通過(guò)串口輸出到屏幕上的：

圖2 uClinux啟動(dòng)界面

至此，一個(gè)簡(jiǎn)單的uClinux操作系統(tǒng)在Nios II嵌入式平臺(tái)上移植完成，這個(gè)操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)裁減，去掉了Linux內(nèi)核中一些不是必須的功能，但是具有一個(gè)Linux操作系統(tǒng)的幾乎所有的特征。接下來(lái)，就可以在建好的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，開(kāi)發(fā)在此平臺(tái)上運(yùn)行的程序了。

3. 結(jié)束語(yǔ)

Altera的Nios II軟核處理器性能超過(guò)200DMIPS，在Altera FPGA中實(shí)現(xiàn)僅需35美分，并且開(kāi)發(fā)者能從無(wú)限的系統(tǒng)配置組合中選擇滿足性能和成本目標(biāo)的方案，而不必為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)考慮采用ASIC。并且，Nios II處理器還具有完善的軟件開(kāi)發(fā)套件。

此嵌入式平臺(tái)最終應(yīng)用于有線數(shù)字電視接收系統(tǒng)，主要完成對(duì)加密數(shù)字電視傳輸流的實(shí)時(shí)接收和解擾工作，在實(shí)際的測(cè)試中，uClinux 2.6操作系統(tǒng)運(yùn)行良好并且穩(wěn)定，完全能勝任此類工作。本項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益800萬(wàn)元。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在Nios II嵌入式平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了最新的uClinux 2.6嵌入式操作系統(tǒng)的移植，并對(duì)移植過(guò)程中的關(guān)鍵部分進(jìn)行分析，對(duì)在Nios II嵌入式平臺(tái)上的嵌入式系統(tǒng)移植有一定的指導(dǎo)和參考價(jià)值。