（转帖）如何在DE2上安裝μClinux作業系統? （Nios II ）

原创地址：http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2008/06/08/uclinux_de2.html

Abstract
若要在DE2上使用作業系統，除了Nios II EDS內建支援的μC/OS-II外，μClinux也能在DE2上跑。

Introduction
使用環境：Quartus II 7.2 SP1 + Nios II EDS 7.2 SP1 + DE2(Cyclone II EP2C35F627C6) + VMWare 6.0.2 + CentOS 5.1

既然Nios II EDS已經支援μC/OS-II，為什麼還要另外跑μClinux呢?
μC/OS-II
優點：所占的資源很少，只要FPGA上的on-chip memory就可以跑。
缺點：將原本在Linux上的open source軟體porting到μC/OS-II難度較高。

μClinux
優點：使用Linux kernel，所以將Linux上open source軟體porting到μClinux較容易。
缺點：所占的資源較多，須要使用到SDRAM。

所以μC/OS-II和μClinux各擅勝場，開發人員可視實際需要選擇使用哪一個OS。

DE2安裝μClinux的幾個方法
1.兩台PC，一台使用Windows作業系統，另一台使用Linux作業系統：
Windows上安裝Quartus II與SOPC Builder產生硬體.sof與.ptf，而在Linux進行μClinux的cross compiler，兩台PC透過ftp或Samba傳檔。

2.一台PC，使用Linux作業系統：
安裝Linux版的Quartus II與SOPC Builder產生硬體.sof與.ptf，也在Linux上進行μClinux的cross compiler，軟硬體皆在Linux上完成。

3.一台PC，使用Windows作業系統：
安裝Windows版的Quartus II與SOPC Builder產生硬體.sof與.ptf，並安裝cygwin進行μClinux的cross compiler，軟硬體皆在Windows上完成。

4.一台PC，使用Windows作業系統，並在VMWare安裝Linux作業系統：
安裝Windows版的Quartus II與SOPC Builder產生硬體.sof與.ptf，並在VMWare上安裝Linux進行μClinux的cross compiler，Windows與Linux之間透過VMWare Tools傳檔，請參閱(原創) 如何在CentOS安裝VMWare Tools? (OS) (Linux) (CentOS) (VMWare)。

第一種方式，需要兩台PC，當然是最麻煩的方式。若只有一台PC，而且你只用Linux，就用第二種方式，若你只有一台PC，且使用Windows，第三種方式與第四種方式皆可行，看你習慣哪一種。本文討論的是第四種方式配合VMWare。

DE2的硬體設計
你可以自行用Verilog設計硬體並搭配SOPC Builder產生Nios II，最後用Quartus II編譯產生.sof與.ptf，這方面我在之前的文章已經討論了很多，都在IC Design分類下，請自行參閱。為了簡化起見，我使用友晶科技CD所提供的Reference Design。Nios II的Reference Design放在DE2 CD中的\DE2_demonstrations\SOPC_Builder\Reference_Design\下，(或從http://www.terasic.com/downloads/cd-rom/de2/ 下載)，若你想自己從頭到尾自己由SOPC Builder建立，請參閱(原創) 如何自己用SOPC Builder建立一個能在DE2上跑μC/OS-II的Nios II系統? (IC Design) (DE2) (Quartus II) (Nios II) (SOPC Builder) (μC/OS-II)。

友晶提供的Reference Design是Quartus II 6.0與7.1的版本，若你使用7.2或更高的版本，建議你用SOPC Builder開啟後，更新SOPC Builder格式並重新generate system_0.ptf，然後用Quartus II重新compile DE2_NIOS.sof，這兩個檔等一下會用到。

在Linux上安裝Nios II gcc cross compiler
等一下我們會下載μClinux的source code，重新編譯成能在Nios II跑的版本，在此之前必須先安裝Nios II gcc cross compiler。

Step 1：
下載nios2gcc.tar.bz2或Altera原廠的nios2gcc-20080203.tar.bz2至/usr/local/src

Step 2：
將nios2gcc.tar.bz2解壓縮到/opt/nios2

[ root@localhost src ] # tar -jxvf nios2gcc.tar.bz2 -C /

Step 3：
設定cross compiler路徑

[ root@localhost src ] # vi ~/.bash_profile

修改bash_profile的內容如下所示，加上/opt/nios2/bin路徑

# .bash_profile

# Get the aliases and functions
if  [  -f ~/.bashrc  ] ;  then
        . ~/.bashrc
fi

# User specific environment and startup programs

PATH = $PATH:$HOME/bin:/opt/nios2/bin

export PATH
unset USERNAME

Step 4：
重新執行bash_profile script，讓所設定的路徑馬上生效，不必再重新登出登入

[ root@localhost src ] # source ~/.bash_profile

Step 5：
測試Nios II gcc cross compiler是否安裝成功

[ root@localhost src ] # nios2-linux-uclibc-gcc -v

若出現以下結果，表示Nios II gcc cross compiler已經設定成功

Reading specs from /opt/nios2/lib/gcc/nios2-linux-uclibc/ 3.4.6 /specs
Configured with: /root/buildroot/toolchain_build_nios2/gcc- 3.4.6 /configure --prefix = /opt/nios2 --build = i386-pc-linux-gnu --host = i386-pc-linux-gnu --target = nios2-linux-uclibc --enable-languages = c --enable-shared --disable-__cxa_atexit --enable-target-optspace --with-gnu-ld --disable-nls --enable-threads --disable-multilib --enable-cxx-flags = -static
Thread model: posix
gcc version  3.4.6

編譯μClinux核心
Step 1：
到Embedded Linux/Microcontroller Project下載μClinux到/usr/local/src，本文用的是uClinux-dist-20070130.tar.gz。

Step 2：
將uClinux-dist-20070130.tar.gz解壓縮

[ root@localhost src ] # tar -zxvf uClinux-dist- 20070130 .tar.gz

uClinux-dist-20070130.tar.gz解開後占1.9GB，若解壓縮過程有錯誤，大部分原因都是硬碟滿了，請注意你VMWare所設定的硬碟大小。

Step 3：
下載μClinux kernel patch for Nios II：uClinux-dist-20070130-nios2-02.7z到/usr/local/src/uClinux-dist。

Step 4：
安裝μClinux kernel patch for Nios II

[ root@localhost src ] # cd uClinux-dist

 

[ root@localhost uClinux-dist ] # gunzip -c uClinux-dist- 20070130 -nios2- 02 .diff.gz | patch -p0

若出現以下結果，表示patch成功

patching file vendors/Altera/nios2nommu/config.arch
patching file vendors/Altera/nios2nommu/config.linux- 2.6 .x
patching file lib/libpng/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/include/asm-nios2nommu/ide.h
patching file linux- 2.6 .x/include/linux/elf-em.h
patching file linux- 2.6 .x/usr/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/kernel/vmlinux.lds.S
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/altcf.c
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/pci/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/pci/pci-auto.c
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/pci/pci.c
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/pci/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/spi.c
patching file linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/drivers/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/drivers/mtd/maps/altera.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/mtd/maps/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/dm9ks.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/open_eth.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/dm9000.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/Space.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/smc91x.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/smc911x.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/net/mtip1000.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/host/Kconfig
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/host/isp1362-hcd.c
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/host/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/host/isp1362.h
patching file linux- 2.6 .x/drivers/usb/Makefile
patching file linux- 2.6 .x/drivers/ide/ide.c
patching file user/microwin/src/fonts/X6x13.c
patching file user/microwin/src/demos/nxroach/Makefile
patching file user/microwin/src/demos/nanox/nxterm.c
patching file user/microwin/src/demos/nanox/nterm.c
patching file user/microwin/src/demos/nxkbd/keynum.c
patching file user/microwin/src/demos/nxkbd/keyctrl.c
patching file user/microwin/src/demos/nxkbd/keyshft.c
patching file user/microwin/src/Makefile.rules
patching file user/microwin/src/drivers/kbd_ttyscan.c
patching file user/microwin/src/drivers/scr_fb.c
patching file user/microwin/src/drivers/mou_ser.c
patching file user/ftpd/ftpcmd.c
patching file user/ftpd/Makefile

Step 5：
建立make file

[ root@localhost uClinux-dist ] # make menuconfig

 

在Vendor/Product Selection如下設定

在Kernel/Library/Defaults Selection如下設定

最後選<Yes>存檔

Step 6：
將SOPC Builder設定檔system_0.ptf複製到/usr/local/src

Step 7：
根據DE2硬體配置設定make file

[ root@localhost uClinux-dist ] # make vendor_hwselect SYSPTF=/usr/local/src/system_0.ptf

最後會有選擇動作，分別選擇 1 (CPU_0)，1 (cfi_flash_0)，2 (sdram)。

--- Please select which CPU you wish to build the kernel against:

( 1 ) cpu_0 - Class: altera_nios2 Type: f Version:  7.071

Selection:  1

--- Please select a device to upload the kernel to:

( 1 ) cfi_flash_0
        Class: altera_avalon_cfi_flash
        Size:  4194304  bytes

Selection:  1

--- Please select a device to execute kernel from:

( 1 ) sram_0
        Class: sram_16bit_512k
        Size:  524288  bytes

( 2 ) sdram_0
        Class: altera_avalon_new_sdram_controller
        Size:  8388608  bytes

( 3 ) epcs_controller
        Class: altera_avalon_epcs_flash_controller
        Size:  2048  bytes

Selection:  2

最後成功的結果如下所示

--- Summary using

PTF: /usr/local/src/system_0.ptf
CPU:                            cpu_0
Device to upload to:            cfi_flash_0
Program memory to execute from: sdram_0

--- Settings written to /usr/local/src/uClinux-dist/linux- 2.6 .x/arch/nios2nommu/hardware.mk

make [ 3 ] : Leaving directory `/usr/local/src/uClinux-dist/linux- 2.6 .x'
make [ 2 ] : Leaving directory `/usr/local/src/uClinux-dist/vendors/Altera/nios2nommu'
make [ 1 ] : Leaving directory `/usr/local/src/uClinux-dist/vendors'

Step 8：
建立romfs資料夾，過程會有錯誤訊息，可忽略。

[ root@localhost uClinux-dist ] # make romfs

Step 9：
編譯μClinux核心

[ root@localhost uClinux-dist ] # make

Step 10：
產生image

[ root@localhost uClinux-dist ] # make linux image

最後會在/usr/local/src/uClinux-dist/linux-2.6.x/arch/nios2nommu/boot/下找到zImage

Step 11：
將zImage複製到Windows的C:\altera\72\nios2eds\examples\下

將軟硬體燒入到DE2
Step 1：
將DE2_NIOS2.sof複製到C:\altera\72\nios2eds\examples\下

Step 2：
啟動Nios II Command Shell
開始 -> 程式集 -> Altera -> Nios II EDS 7.2 -> Nios II 7.2 Command Shell

Step 3：
將硬體燒入到DE2

[ SOPC Builder ] $ nios2-configure-sof DE2_NIOS.sof

執行結果

Searching for SOF file:
in .
  DE2_NIOS.sof

Info: *******************************************************************
Info: Running Quartus II Programmer
Info: Command: quartus_pgm --no_banner --mode = jtag -o p ; DE2_NIOS.sof
Info: Using programming cable  " USB-Blaster [USB-0] "
Info: Started Programmer operation at Mon Jun  09   03 : 01 : 45   2008
Info: Configuring device index  1
Info: Device  1  contains JTAG ID code 0x020B40DD
Info: Configuration succeeded --  1  device(s) configured
Info: Successfully performed operation(s)
Info: Ended Programmer operation at Mon Jun  09   03 : 01 : 46   2008
Info: Quartus II Programmer was successful.  0  errors ,   0  warnings
    Info: Allocated  54  megabytes of memory during processing
    Info: Processing ended: Mon Jun  09   03 : 01 : 46   2008
    Info: Elapsed time:  00 : 00 : 02

Step 4：
將μClinux的zImage下載到SDRAM

[ SOPC Builder ] $ nios2-download -g zImage

執行結果

Using cable  " USB-Blaster [USB-0] " ,  device  1 ,  instance 0x00
Pausing target processor: OK
Initializing CPU cache (if present)
OK
Downloaded 1197KB in  14 .4s ( 83 .1KB/s)
Verified OK
Starting processor at address 0x00D00000

Step 5：
啟動μClinux

[ SOPC Builder ] $ nios2-terminal

執行結果

Uncompressing Linux Ok ,  booting the kernel.
Linux version  2.6.19 -uc1 ([email protected]) (gcc version  3.4.6 ) # 2  PR
EMPT Sun Jun  8   23 : 28 : 30  CST  2008


uClinux/Nios II
Altera Nios II support (C)  2004  Microtronix Datacom Ltd.
Built  1  zonelists.  Total pages:  2032
Kernel command line:
PID hash table entries:  32  (order:  5 ,   128  bytes)
Dentry cache hash table entries:  1024  (order:  0 ,   4096  bytes)
Inode-cache hash table entries:  1024  (order:  0 ,   4096  bytes)
Memory available: 5956k/8192k RAM ,  0k/0k ROM (1465k kernel code ,  680k data)
Mount-cache hash table entries:  512
NET: Registered protocol family  16
NET: Registered protocol family  2
IP route cache hash table entries:  1024  (order:  0 ,   4096  bytes)
TCP established hash table entries:  1024  (order:  0 ,   4096  bytes)
TCP bind hash table entries:  1024  (order:  0 ,   4096  bytes)
TCP: Hash tables configured (established  1024  bind  1024 )
TCP reno registered
io scheduler noop registered
io scheduler deadline registered (default)
Serial: JTAG UART driver $Revision:  1.3  $
ttyJ0 at MMIO 0x806810f0 (irq  =   1 ) is a jtag_uart
TCP cubic registered
NET: Registered protocol family  1
NET: Registered protocol family  17
Freeing unused kernel memory: 572k freed (0x97a000 - 0xa08000)
Shell invoked to run file: /etc/rc
Command: hostname uClinux
Command: mount -t proc proc /proc
Command: mount -t sysfs sysfs /sys
Command: mount -t usbfs none /proc/bus/usb
mount: Mounting none on /proc/bus/usb failed: No such file or directory
Command: mkdir /var/tmp
Command: mkdir /var/log
Command: mkdir /var/run
Command: mkdir /var/lock
Command: mkdir /var/empty
Command: ifconfig lo  127.0.0.1
Command: route add -net  127.0.0.0  netmask  255.0.0.0  lo
Command: cat /etc/motd
Welcome to
          ____ _  _
         /  __| ||_|
    _   _| |  | | _ ____  _   _  _  _
   | | | | |  | || |  _ \| | | |\ \/ /
   | |_| | |__| || | | | | |_| |/    \
   |  ___\____|_||_|_| |_|\____|\_/\_/
   | |
   |_|

For further information check:
http://www.uclinux.org/

Execution Finished ,  Exiting

Sash command shell (version  1.1.1 )
/>

若看到這個畫面，表示μClinux已經順利執行在DE2上。

Conclusion
當我最後看到μClinux的logo出現時，真的是既讚嘆又感恩，讚嘆的是Linux就這樣跑在嵌入式系統了，感恩的是前人的porting讓我們能在DE2順利的跑μClinux。這真是一次奇妙的軟硬體合作經驗，從FPGA到OS，又從Linux回到Windows，不得不讚嘆嵌入式系統的神奇。

See Also
(原創) 如何在μClinux開發第一支Hello World程式? (IC Design) (DE2) (Nios II) (OS) (Linux) (μClinux) (C/C++) (gcc)
(原創) 如何在CentOS安裝VMWare Tools? (OS) (Linux) (CentOS) (VMWare)
(原創) 如何自己用SOPC Builder建立一個能在DE2上跑μC/OS-II的Nios II系統? (IC Design) (DE2) (Quartus II) (Nios II) (SOPC Builder) (μC/OS-II)
(原創) 如何解決『Error: More than one programming cable found in available hardware list --use--list option to display available hardware list and specify correct cableprogramming』錯誤訊息? (SOC) (Nios II) (μClinux) (DE2) (DE2-70)