## uclinux实验

### 1. 实验内容
通过本实验了解如何建立复杂的NIOS II，如何在Nios II系统运行uClinux操作系统，以及在uClinux操作系统环境上开发简单用户应用程序。

本实验要求利用SOPC建立一复杂的NIOS II，通过NIOS II IDE配置uClinux，实现在uClinux在NIOS II上的运行。

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### 2. 实验步骤

#### 2.1 NiosⅡ硬件设置
1. 工程建立：首先在Quartus II新建一个名为uclinux的工程，工程建立之后在工具栏中点击{{ ::图标.png |}}图标，出现SOPC Builder对话框。在System Name对话框里设置Nios系统名nios_cpu，HDL语言选择Verilog，如下图（图22-1）所示。
{{ ::图22-1.png |图22-1  SOPC Builder对话框}}
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**图22-1  SOPC Builder对话框**
</WRAP>

2. 系统设置：点击【File】→【New Board Description】，出现如下对话框，对目标板进行编辑。在Netlist选项中将Device Family定义为Cyclone II，如下图（图22-2）所示。
{{ ::图22-2.png |图22-2 目标板编辑}}
<WRAP centeralign>
**图22-2 目标板编辑框**
</WRAP>

在Flash Memory对话框中对点击【New Flash Memory】，将Device命名为u10（这个名字是任意自取的，但一定要有），如下图所示。
{{ ::图22-3.png |图22-3 Flash Memory设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-3 Flash Memory设置**
</WRAP>

在Files选项里定义Board Description Name为de4（该名字可以任意自取），然后点击Finish，如图22-4所示。
{{ ::图22-4.png |图22-4 目标板名字设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-4 目标板名字设置**
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3. 时钟设置：在对目标板设置完毕后，在Target设置栏的下拉菜单中会出现de4选项，选择de4。在clock设置栏中，添加两个External时钟clk和clk_50，分别是100MHz和50MHz。
{{ ::图22-5.png |图22-5 时钟设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-5 时钟设置**
</WRAP>

4. SOPC组建添加：

系统中缺省没有网卡和SRAM组件，所以要将光盘中的DM9000A（网卡）和SRAM_16Bit_512K（SRAM）两个文件夹添加到uClinux工程文件夹中，这样就会出现网卡和SRAM组件。

将Avalon Components中的选项中组建添加到自己的工程中，具体方法是将相关的组建拖进右边的对话框中，如图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。

{{ ::图22-6.png |图22-6 NiosⅡ系统配置}}
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**图22-6 NiosⅡ系统配置**
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5. SOPC组建设置:将组建添加完后需要对组建进行设置，首先是Flash，双击Module Name中的cfi_flash_0，出现设置对话框，将Address Width设置为25bits，Data Width设置为8bits，如图22 7所示。
{{ ::图22-7.png |图22-7 Flash设置}}
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**图22-7 Flash设置**
</WRAP>

同样的方法打开SDRAM设置框，按照图22-8进行设置。
{{ ::图22-8.png |图22-8 SDRAM设置}}
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**图22-8 SDRAM设置**
</WRAP>

对PIO进行设置，首先将它的Module Name改为led_pio。然后将位长改为8。

6. 时钟与中断的设置

对与上述组建的设置，除了SDRAM设置为clk_50外，其他的都设置为clk。按图22 9所示的设置中断优先级。
{{ ::图22-9.png |图22-9 时钟与中断设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-9 时钟与中断设置**
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设置cfi_flash的Base地址为0；设置sdram的base地址为0x2000000,将这两个地址固定，然后将它们的基地址固定，在基地址一栏中点右键，选择Lock Base Address，如下图（图22-10）所示：
{{ ::图22-10.png |图22-10  锁定基地址}}
<WRAP centeralign>
**图22-10  锁定基地址**
</WRAP>

然后点击System下拉菜单的Auto-Assign Base Addresses，对其他外设自动分配地址。

在SOPC Builder中选择Next 到More “cpu_0” Settings标签栏，设置系统复位和启动时运行的地址，如图22-11所示：

{{ ::图22-11.png |图22-11  设置启动地址}}
<WRAP centeralign>
**图22-11  设置启动地址**
</WRAP>

至此一个SOPC系统就设置完毕了。

点击【Next】到System Generation，HDL选项上打钩，这里我们不进行仿真所以对取消Simulation，如图22-12所示。点击【Generate】，如果没有报错说明系统生成正确。
{{ ::图22-12.png |图22-12 系统生成}}
<WRAP centeralign>
**图22-12 系统生成**
</WRAP>

7. 时钟设置：新建一个名为uclinux的原理图文件，然后添加一个名为SDRAM_CLK的ALTPLL（锁相环）,如图22-13所示。
{{ ::图22-13.png |图22-13 添加内部锁相环}}
<WRAP centeralign>
**图22-13 添加内部锁相环**
</WRAP>

点击【Next】，进入设置界面（图22-14），首先将Device family设置为CycloneⅡ，Device speed设置为8，输入时钟频率设为50MHz。
{{ ::图22-14.png |图22-14 时钟设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-14 时钟设置**
</WRAP>

点击【Next】，对第一个输出时钟进行设置，第一个时钟是SDRAM的时钟，只需要将Clock phase shift设为-63，如图22-15所示。点击【Next】，将第二个时钟设置为50MHz，无相位偏移。同样的将第三个时钟设置为100MHz无相位偏移。然后点击【Finish】生成锁相环。

{{ ::图22-15.png |图22-15 输出时钟设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-15 输出时钟设置**
</WRAP>

8. 原理图文件设计：将上述生成的锁相环符号和nios_cpu符号添加到原理图中，如图22-16和图22-17所示。

{{ ::图22-16.png |图22-16 时钟连接}}
<WRAP centeralign>
**图22-16 时钟连接**
</WRAP>

{{ ::图22-17.png |图22-17 原理图设计}}
<WRAP centeralign>
**图22-17 原理图设计**
</WRAP>

在对所有管脚连接完，并分配好管脚位置后，对工程进行编译，至此SOPC系统的硬件部分设计完毕。

#### 2.2 软件环境配置
1. 软件安装

在NiosⅡ上运行uClinux需要安装Microtronix uClinux。如果开发环境Quatars6.0＋NiosⅡ6.0，应该安装版本1.4。如果是Quatars7.0＋NiosⅡ7.0，则需要更高版本1.4.1，产品光盘中带的是1.4.1版本。在安装时要注意指明NiosⅡ的安装路径，如图22-18所示：
{{ ::图22-18.png |图22-18 nios中Linux安装}}
<WRAP centeralign>
**图22-18 nios中Linux安装**
</WRAP>

2. uclinux内核编辑

在安装完毕后，启动NiosⅡ IDE，选择菜单File→Switch workspace，在里面指定前面所建立的NIOS核所在的路径，这里假定为：c:\uClinux下，如图22-19所示。
{{ ::图22-19.jpg |图22-19 将工作目录切换至NIOS核所在的目录}}
<WRAP centeralign>
**图22-19 将工作目录切换至NIOS核所在的目录**
</WRAP>

新建一个Linux Kernel Project（File→new→project…），如图22-20所示。

{{ ::图22-20.png |图22-20 新建工程}}
<WRAP centeralign>
**图22-20 新建工程**
</WRAP>

点击【Next】在Project name中填入kernel，如图22-21所示。
{{ ::图22-21.png |图22-21 工程名设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-21 工程名设置**
</WRAP>

点击【Next】指定该工程对应的SOPC系统，点击【Browse】在SOPC System的路径找到.ptf文件（假定前面的NIOS系统存在了c:\uClinux下），在Kernel Options栏中，upload Memory选择cfi_flash，Execute Memory 选择sdram，如下图所示。

{{ ::图22-22.png |图22-22 SOPC System选择}}
<WRAP centeralign>
**图22-22 SOPC System选择**
</WRAP>

点击【Finish】，这时IDE的Navigator栏（一定要切到navigator栏）中，会出现刚才新建的kernel，点击右键所建立的工程，选择configure kernel（图22-23）。
{{ ::图22-23.png |图22-23 configure kernel}}
<WRAP centeralign>
**图22-23 configure kernel**
</WRAP>

这时会弹出Kernel的配置窗口（图22-24）。

{{ ::图22-24.png |图22-24 配置窗口}}
<WRAP centeralign>
**图22-24 配置窗口**
</WRAP>

这里我们需要对内核进行配置。进入Device Driver→ATA/ATAPI/MFM/RLL support，点击空格键或N，这时可以发现在<>内没有任何符号，如图22-25所示，这样在对内核进行编译的时候不会对这个驱动程序进行编译。
{{ ::图22-25.png |图22-25 ATA/ATAPI/MFM/RLL驱动设置}}
<WRAP centeralign>
**图22-25 ATA/ATAPI/MFM/RLL驱动设置**
</WRAP>

进入Device Driver→Character Devices→Serial driver设置串口，选择如图22-26所示。
{{ ::图22-26.png |图22-26 串口设置}}
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**图22-26 串口设置**
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这样uclinux既可以支持串口控制台也可以支持Jtag控制台。

进入Processor type and features→CPU(NIOS2)→选择NIOS2.

进入processor type and features→Platform→选择Microtronix cyclone board support.

进入Networking Support→Network Device Support,进入Ethernet<10 or 100MHz>Davicom DM9000。其他各项都采样默认设置project。

注意：如果工程中用到网卡需要将网卡的驱动程序相关宏定义进行修改,程序路径为：

NiosⅡ路径(假设Quartus和NIos安装在c盘下) c:\Altera\70\nios2eds\bin\ eclipse\plugins\com.microtronix.nios2linux.kernel_1.4.1\ linux-2.6.x\drivers\net\dm9000x.c。然后打开工作目录uClinux/kernel/buid/include中的nios_system.h文件，可以看到na_dm9000a_0，na_dm9000a_0_irq这两个宏。在dm9000x.c中搜索以下两行：

<code verilog> 

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

</code>

将第一行修改为：#define DM9000_MIN_IO       (na_dm9000a_0)

将第二行修改为：static u8 irqline     = na_dm9000a_0_irq；

在这里修改的原因是：要使得dm9000x.c中的变量要和nios_system.h中定义的变量相同，否则编译不能通过。

在设置完后选择保存，然后build内核（图22-27）。
{{ ::图22-27.jpg |图22-27 编译内核}}
<WRAP centeralign>
**图22-27 编译内核**
</WRAP>

3. uclinux文件系统建立
在File→new→project…对话框中选择linux filesystem project, 和建立uClinux 内核工程一样，在SOPC Builder System栏，选择刚才我们在建立uClinux_kernel工程时选择的SOPC件系统（图22-28）。

{{ ::图22-28.jpg |图22-28 建立文件系统设置}}
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**图22-28 建立文件系统设置**
</WRAP>

工程完成后在Navigator栏中栏下把\target\etc目录下inittab文件打开，将ttys1下前面的“#”去掉，将串口打开，如图22-29。然后编译(图22-30)。

{{ ::图22-29.jpg |图22-29 建立文件系统}}
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**图22-29 建立文件系统**
</WRAP>

{{ ::图22-30.jpg |图22-30 编译内核}}
<WRAP centeralign>
**图22-30 编译内核**
</WRAP>

将工程下载到flash中，点击菜单Tools→lash programmer,出现（图22-31）：

{{ ::图22-31.png |图22-31 Flash programmer}}
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**图22-31 Flash programmer**
</WRAP>

点击左上角第一个New lauch configuration ,出现（图 22-33）：

{{ ::图22-32.jpg |图22-32 新建下载配置}}
<WRAP centeralign>
**图22-32 新建下载配置**
</WRAP>

把program software project into flash memory中的勾去掉。
在Target Hardware中选择SOPC系统的路径（图22-33）。
{{ ::图22-33.png |图22-33 设置SOPC的路径}}
<WRAP centeralign>
**图22-33 设置SOPC的路径**
</WRAP>

Flash Program 有三种下载方式，在这里选择Program a file into flash memory，首先下载linux内核，路径为：内核工程路径c:\uclinux\kernel\build\vmlinux.bin,offset为0x0，然后点击Program flash进行下载。

注意：在这里的选项可能是灰的，要求一定要把JTAG下载线连接到USB口上。
{{ ::图22-34.jpg |图22-34 kernel下载参数}}
<WRAP centeralign>
**图22-34 kernel下载参数**
</WRAP>

然后下载文件系统，路径为：文件系统工程路径c:\uclinux\fs\romfs.bin,offset为 0x200000。
{{ ::图22-35.png |图22-35 kernel下载参数}}
<WRAP centeralign>
**图22-35 kernel下载参数**
</WRAP>

4. 启动uCinux
进入NiosⅡ command shell（程序→Altera→NIOS II EDS→NiosⅡ command shell），输入nios2－terminal命令（这时先不要回车执行），在Quartus II中下载Nios内核到FPGA，然后马上回车执行命令，这时系统启动，会出现如图22-36的画面。
{{ ::图22-36.png |图22-36 系统启动}}
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**图22-36 系统启动**
</WRAP>

这时在login后面输入root，Password后面输入uClinux。这时linux就在内核上运行起来了。

也是将串口作为终端控制台来连接。

i. 将串口连接至计算机。

ii. 打开超级终端，按以下参数设置（图 2237）：

波特率：	115200 波特/秒

数据位：	8位

停止位：	1位

奇偶校验：	无

流控：		无
{{ ::图22-37.jpg |图22-37 串口设置}}
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**图22-37 串口设置**
</WRAP>

在Quartus中将NIOS下载到FPGA中，超级终端的显示如图 22-38所示。
{{ ::图22-38.jpg |图22-38 串口显示}}
<WRAP centeralign>
**图22-38 串口显示**
</WRAP>

#### 2.3 建立uClinux应用程序
1. 点击【File】→【New】→【Projects…】→【Linux application project】，新建一个名为Hello的工程。
2. Navigator栏中右键选中新建的工程Hello，点击【New】→【Source File】，如图 22 39所示。在File Name栏里输入文件名Hello.c。
{{ ::图22-39.jpg |图22-39 新建源文件}}
<WRAP centeralign>
**图22-39 新建源文件**
</WRAP>

3. 在编辑栏里输入一个Hello World的C程序（图22-40）。
{{ ::图22-40.png |图22-40 输入源程序}}
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**图22-40 输入源程序**
</WRAP>

4. altera\70\nios2eds\examples\software\linux\apps\samples\hello下的makefile文件复制到工程目录下，并修改PRGJ_NAME=HelloDIR=.。如图22-41所示。
{{ ::图22-41.png |图22-41 设置Makefile}}
<WRAP centeralign>
**图22-41 设置Makefile**
</WRAP>

5. 然后在NiosⅡ C/C++ Project 栏下，在Hello工程上点击右键，选择Create make target,点击OK。然后在Hello工程上点右键Build make target，选择All并点击Build进行编译（图 22-42）。

{{ ::图22-42.jpg |图22-42 编译程序}}
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**图22-42 编译程序**
</WRAP>

6. 这时会产生Hello.exe文件(图22-43)。
{{ ::图22-43.png |图22-43 生成的Hello.exe}}
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**图22-43 生成的Hello.exe**
</WRAP>

7. 将生成的Hello.exe文件复制到文件系统的home目录下（图22-44），编译后将新的文件系统重新下载到目标板上。
{{ ::图22-44.png |图22-44 拷贝到文件系统的目录下}}
<WRAP centeralign>
**图22-44 拷贝到文件系统的目录下**
</WRAP>

8. 登陆uClinux后，直接在命令行输入Hello，在屏幕上打印出Hello World。如下图所示。

注意：在登陆uClinux后的默认路径是在/Home下,如果将应用程序粘贴到了其他文件夹，需要切换路径。

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### 3. 注意事项

1. 在启动nios2-terminal之前，一定要重新下载Nios核否则可能登陆失败。\\
2. 若在启动nios2-terminal后，提示有多个cable问题，nios2-terminal --cable命令检查cable的状态，然后选择一个正确的cable，如nios2-terminal --cable 2。\\
3. 在建立SOPC系统中，选择器件时其型号和大小应该和实验板上的一致。\\
4. 在上述SOPC系统中，定时器timer一定要有，否则会出错。\\
5. 在添加Flash时，一定要设定Referencd Designator（chip label），即不能是默认的“none”，可以修改成任意别的字符，如“FL”。否则烧写Flash 会出现错误。\\
6. 在编译的时候，有些管脚是有特殊作用，但也可以当普通I/O使用，不过需要按如下步骤设置：\\
  i.Step 1：Assignments → Device（图22-45）。
{{ ::图22-45.png |图22-45 管脚设置(a)}}
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**图22-45 管脚设置(a)**
</WRAP>

  ii. Step 2：按下Device and Pin Options，选择Dual-Purpose Pins（图 22 46）。
{{ ::图22-46.png |图22-46 管脚设置(b)}}
<WRAP centeralign>
**图22-46 管脚设置(b)**
</WRAP>

  iii. Step 3：将nCEO改成Use as regular I/O（图 22-47）。
{{ ::图22-47.png |图22-47 管脚设置(c)}}
<WRAP centeralign>
**图22-47 管脚设置(c)**
</WRAP>

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