如何在Nios II系統運行uClinux操作系統

1. 實(shí)驗內容

通過(guò)本實(shí)驗了解如何建立復雜的NIOS II，如何在Nios II系統運行uClinux操作系統，以及在uClinux操作系統環(huán)境上開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單用戶(hù)應用程序。

本實(shí)驗要求利用SOPC建立一復雜的NIOS II，通過(guò)NIOS II IDE配置uClinux，實(shí)現在uClinux在NIOS II上的運行。

2. 實(shí)驗步驟

2.1 NiosⅡ硬件設置

1. 工程建立：首先在Quartus II新建一個(gè)名為uclinux的工程，工程建立之后在工具欄中點(diǎn)擊圖標，出現SOPC Builder對話(huà)框。在System Name對話(huà)框里設置Nios系統名nios_cpu，HDL語(yǔ)言選擇Verilog，如下圖（圖22-1）所示。

圖22-1 SOPC Builder對話(huà)框

1. 系統設置：點(diǎn)擊【File】→【New Board Description】，出現如下對話(huà)框，對目標板進(jìn)行編輯。在Netlist選項中將Device Family定義為Cyclone II，如下圖（圖22-2）所示。

   圖22-2 目標板編輯框

在Flash Memory對話(huà)框中對點(diǎn)擊【New Flash Memory】，將Device命名為u10（這個(gè)名字是任意自取的，但一定要有），如下圖所示。

圖22-3 Flash Memory設置

在Files選項里定義Board Description Name為de4（該名字可以任意自?。?，然后點(diǎn)擊Finish，如圖22-4所示。

圖22-4 目標板名字設置

1. 時(shí)鐘設置：在對目標板設置完畢后，在Target設置欄的下拉菜單中會(huì )出現de4選項，選擇de4。在clock設置欄中，添加兩個(gè)External時(shí)鐘clk和clk_50，分別是100MHz和50MHz。

   圖22-5 時(shí)鐘設置

2. SOPC組建添加：

系統中缺省沒(méi)有網(wǎng)卡和SRAM組件，所以要將光盤(pán)中的DM9000A（網(wǎng)卡）和SRAM16Bit512K（SRAM）兩個(gè)文件夾添加到uClinux工程文件夾中，這樣就會(huì )出現網(wǎng)卡和SRAM組件。

將Avalon Components中的選項中組建添加到自己的工程中，具體方法是將相關(guān)的組建拖進(jìn)右邊的對話(huà)框中，如圖22 6所示。主要有Nios II Processor，Bridges中的Avalon Tristate Bridge，Communication中的Jtag UART和UART，Memory中的onchip_memory, SDRAM controller, Flash Memory，Other里面的Interval timer，PIO。

圖22-6 NiosⅡ系統配置

1. SOPC組建設置:將組建添加完后需要對組建進(jìn)行設置，首先是Flash，雙擊Module Name中的cfiflash0，出現設置對話(huà)框，將Address Width設置為25bits，Data Width設置為8bits，如圖22 7所示。

   圖22-7 Flash設置

同樣的方法打開(kāi)SDRAM設置框，按照圖22-8進(jìn)行設置。

圖22-8 SDRAM設置

對PIO進(jìn)行設置，首先將它的Module Name改為led_pio。然后將位長(cháng)改為8。

1. 時(shí)鐘與中斷的設置

對與上述組建的設置，除了SDRAM設置為clk_50外，其他的都設置為clk。按圖22 9所示的設置中斷優(yōu)先級。

圖22-9 時(shí)鐘與中斷設置

設置cfi_flash的Base地址為0；設置sdram的base地址為0x2000000,將這兩個(gè)地址固定，然后將它們的基地址固定，在基地址一欄中點(diǎn)右鍵，選擇Lock Base Address，如下圖（圖22-10）所示：

圖22-10 鎖定基地址

然后點(diǎn)擊System下拉菜單的Auto-Assign Base Addresses，對其他外設自動(dòng)分配地址。

在SOPC Builder中選擇Next 到More “cpu_0” Settings標簽欄，設置系統復位和啟動(dòng)時(shí)運行的地址，如圖22-11所示：

圖22-11 設置啟動(dòng)地址

至此一個(gè)SOPC系統就設置完畢了。

點(diǎn)擊【Next】到System Generation，HDL選項上打鉤，這里我們不進(jìn)行仿真所以對取消Simulation，如圖22-12所示。點(diǎn)擊【Generate】，如果沒(méi)有報錯說(shuō)明系統生成正確。

圖22-12 系統生成

1. 時(shí)鐘設置：新建一個(gè)名為uclinux的原理圖文件，然后添加一個(gè)名為SDRAM_CLK的ALTPLL（鎖相環(huán)）,如圖22-13所示。

   圖22-13 添加內部鎖相環(huán)

點(diǎn)擊【Next】，進(jìn)入設置界面（圖22-14），首先將Device family設置為CycloneⅡ，Device speed設置為8，輸入時(shí)鐘頻率設為50MHz。

圖22-14 時(shí)鐘設置

點(diǎn)擊【Next】，對第一個(gè)輸出時(shí)鐘進(jìn)行設置，第一個(gè)時(shí)鐘是SDRAM的時(shí)鐘，只需要將Clock phase shift設為-63，如圖22-15所示。點(diǎn)擊【Next】，將第二個(gè)時(shí)鐘設置為50MHz，無(wú)相位偏移。同樣的將第三個(gè)時(shí)鐘設置為100MHz無(wú)相位偏移。然后點(diǎn)擊【Finish】生成鎖相環(huán)。

圖22-15 輸出時(shí)鐘設置

1. 原理圖文件設計：將上述生成的鎖相環(huán)符號和nios_cpu符號添加到原理圖中，如圖22-16和圖22-17所示。

圖22-16 時(shí)鐘連接

圖22-17 原理圖設計

在對所有管腳連接完，并分配好管腳位置后，對工程進(jìn)行編譯，至此SOPC系統的硬件部分設計完畢。

2.2 軟件環(huán)境配置

1. 軟件安裝

在NiosⅡ上運行uClinux需要安裝Microtronix uClinux。如果開(kāi)發(fā)環(huán)境Quatars6.0＋NiosⅡ6.0，應該安裝版本1.4。如果是Quatars7.0＋NiosⅡ7.0，則需要更高版本1.4.1，產(chǎn)品光盤(pán)中帶的是1.4.1版本。在安裝時(shí)要注意指明NiosⅡ的安裝路徑，如圖22-18所示：

圖22-18 nios中Linux安裝

1. uclinux內核編輯

在安裝完畢后，啟動(dòng)NiosⅡ IDE，選擇菜單File→Switch workspace，在里面指定前面所建立的NIOS核所在的路徑，這里假定為：c:uClinux下，如圖22-19所示。

圖22-19 將工作目錄切換至NIOS核所在的目錄

新建一個(gè)Linux Kernel Project（File→new→project…），如圖22-20所示。

圖22-20 新建工程

點(diǎn)擊【Next】在Project name中填入kernel，如圖22-21所示。

圖22-21 工程名設置

點(diǎn)擊【Next】指定該工程對應的SOPC系統，點(diǎn)擊【Browse】在SOPC System的路徑找到.ptf文件（假定前面的NIOS系統存在了c:uClinux下），在Kernel Options欄中，upload Memory選擇cfi_flash，Execute Memory 選擇sdram，如下圖所示。

圖22-22 SOPC System選擇

點(diǎn)擊【Finish】，這時(shí)IDE的Navigator欄（一定要切到navigator欄）中，會(huì )出現剛才新建的kernel，點(diǎn)擊右鍵所建立的工程，選擇configure kernel（圖22-23）。

圖22-23 configure kernel

這時(shí)會(huì )彈出Kernel的配置窗口（圖22-24）。

圖22-24 配置窗口

這里我們需要對內核進(jìn)行配置。進(jìn)入Device Driver→ATA/ATAPI/MFM/RLL support，點(diǎn)擊空格鍵或N，這時(shí)可以發(fā)現在<>內沒(méi)有任何符號，如圖22-25所示，這樣在對內核進(jìn)行編譯的時(shí)候不會(huì )對這個(gè)驅動(dòng)程序進(jìn)行編譯。

圖22-25 ATA/ATAPI/MFM/RLL驅動(dòng)設置

進(jìn)入Device Driver→Character Devices→Serial driver設置串口，選擇如圖22-26所示。

圖22-26 串口設置

這樣uclinux既可以支持串口控制臺也可以支持Jtag控制臺。

進(jìn)入Processor type and features→CPU(NIOS2)→選擇NIOS2.

進(jìn)入processor type and features→Platform→選擇Microtronix cyclone board support.

進(jìn)入Networking Support→Network Device Support,進(jìn)入Ethernet<10 or 100MHz>Davicom DM9000。其他各項都采樣默認設置project。

注意：如果工程中用到網(wǎng)卡需要將網(wǎng)卡的驅動(dòng)程序相關(guān)宏定義進(jìn)行修改,程序路徑為：

NiosⅡ路徑(假設Quartus和NIos安裝在c盤(pán)下) c:Altera70nios2edsbin eclipsepluginscom.microtronix.nios2linux.kernel1.4.1 linux-2.6.xdriversnetdm9000x.c。然后打開(kāi)工作目錄uClinux/kernel/buid/include中的niossystem.h文件，可以看到nadm9000a0，nadm9000a0_irq這兩個(gè)宏。在dm9000x.c中搜索以下兩行：

 #define DM9000_MIN_IO       (na_dm9000)static u8 irqline     = na_dm9000_irq;

將第一行修改為：#define DM9000MINIO (nadm9000a0)

將第二行修改為：static u8 irqline = nadm9000a0_irq；

在這里修改的原因是：要使得dm9000x.c中的變量要和nios_system.h中定義的變量相同，否則編譯不能通過(guò)。

在設置完后選擇保存，然后build內核（圖22-27）。

圖22-27 編譯內核

1. uclinux文件系統建立 在File→new→project…對話(huà)框中選擇linux filesystem project, 和建立uClinux 內核工程一樣，在SOPC Builder System欄，選擇剛才我們在建立uClinux_kernel工程時(shí)選擇的SOPC件系統（圖22-28）。

圖22-28 建立文件系統設置

工程完成后在Navigator欄中欄下把targetetc目錄下inittab文件打開(kāi)，將ttys1下前面的“#”去掉，將串口打開(kāi)，如圖22-29。然后編譯(圖22-30)。

圖22-29 建立文件系統

圖22-30 編譯內核

將工程下載到flash中，點(diǎn)擊菜單Tools→lash programmer,出現（圖22-31）：

圖22-31 Flash programmer

點(diǎn)擊左上角第一個(gè)New lauch configuration ,出現（圖 22-33）：

圖22-32 新建下載配置

把program software project into flash memory中的勾去掉。 在Target Hardware中選擇SOPC系統的路徑（圖22-33）。

圖22-33 設置SOPC的路徑

Flash Program 有三種下載方式，在這里選擇Program a file into flash memory，首先下載linux內核，路徑為：內核工程路徑c:uclinuxkernelbuildvmlinux.bin,offset為0x0，然后點(diǎn)擊Program flash進(jìn)行下載。

注意：在這里的選項可能是灰的，要求一定要把JTAG下載線(xiàn)連接到USB口上。

圖22-34 kernel下載參數

然后下載文件系統，路徑為：文件系統工程路徑c:uclinuxfsromfs.bin,offset為 0x200000。

圖22-35 kernel下載參數

1. 啟動(dòng)uCinux 進(jìn)入NiosⅡ command shell（程序→Altera→NIOS II EDS→NiosⅡ command shell），輸入nios2－terminal命令（這時(shí)先不要回車(chē)執行），在Quartus II中下載Nios內核到FPGA，然后馬上回車(chē)執行命令，這時(shí)系統啟動(dòng)，會(huì )出現如圖22-36的畫(huà)面。

   圖22-36 系統啟動(dòng)

這時(shí)在login后面輸入root，Password后面輸入uClinux。這時(shí)linux就在內核上運行起來(lái)了。

也是將串口作為終端控制臺來(lái)連接。

i. 將串口連接至計算機。

ii. 打開(kāi)超級終端，按以下參數設置（圖 2237）：

波特率： 115200 波特/秒

數據位： 8位

停止位： 1位

奇偶校驗： 無(wú)

流控： 無(wú)

圖22-37 串口設置

在Quartus中將NIOS下載到FPGA中，超級終端的顯示如圖 22-38所示。

圖22-38 串口顯示

2.3 建立uClinux應用程序

1. 點(diǎn)擊【File】→【New】→【Projects…】→【Linux application project】，新建一個(gè)名為Hello的工程。 2. Navigator欄中右鍵選中新建的工程Hello，點(diǎn)擊【New】→【Source File】，如圖 22 39所示。在File Name欄里輸入文件名Hello.c。

圖22-39 新建源文件

1. 在編輯欄里輸入一個(gè)Hello World的C程序（圖22-40）。

   圖22-40 輸入源程序

2. altera70nios2edsexamplessoftwarelinuxappssampleshello下的makefile文件復制到工程目錄下，并修改PRGJ_NAME=HelloDIR=.。如圖22-41所示。

   圖22-41 設置Makefile

3. 然后在NiosⅡ C/C++ Project 欄下，在Hello工程上點(diǎn)擊右鍵，選擇Create make target,點(diǎn)擊OK。然后在Hello工程上點(diǎn)右鍵Build make target，選擇All并點(diǎn)擊Build進(jìn)行編譯（圖 22-42）。

圖22-42 編譯程序

1. 這時(shí)會(huì )產(chǎn)生Hello.exe文件(圖22-43)。

   圖22-43 生成的Hello.exe

2. 將生成的Hello.exe文件復制到文件系統的home目錄下（圖22-44），編譯后將新的文件系統重新下載到目標板上。

   圖22-44 拷貝到文件系統的目錄下

3. 登陸uClinux后，直接在命令行輸入Hello，在屏幕上打印出Hello World。如下圖所示。

注意：在登陸uClinux后的默認路徑是在/Home下,如果將應用程序粘貼到了其他文件夾，需要切換路徑。

3. 注意事項

1. 在啟動(dòng)nios2-terminal之前，一定要重新下載Nios核否則可能登陸失敗。
   

2. 若在啟動(dòng)nios2-terminal后，提示有多個(gè)cable問(wèn)題，nios2-terminal –cable命令檢查cable的狀態(tài)，然后選擇一個(gè)正確的cable，如nios2-terminal –cable 2。
   

3. 在建立SOPC系統中，選擇器件時(shí)其型號和大小應該和實(shí)驗板上的一致。
   

4. 在上述SOPC系統中，定時(shí)器timer一定要有，否則會(huì )出錯。
   

5. 在添加Flash時(shí)，一定要設定Referencd Designator（chip label），即不能是默認的“none”，可以修改成任意別的字符，如“FL”。否則燒寫(xiě)Flash 會(huì )出現錯誤。
   

6. 在編譯的時(shí)候，有些管腳是有特殊作用，但也可以當普通I/O使用，不過(guò)需要按如下步驟設置：
   i.Step 1：Assignments → Device（圖22-45）。

   圖22-45 管腳設置(a)

   ii. Step 2：按下Device and Pin Options，選擇Dual-Purpose Pins（圖 22 46）。

   圖22-46 管腳設置(b)

   iii. Step 3：將nCEO改成Use as regular I/O（圖 22-47）。

   圖22-47 管腳設置?