在第二部分中，已经介绍了基于OpenMIPS的SOPC的结构，本文介绍如何将该SOPC下载到Altera的DE2上进行验证，我们的验证程序是模拟一个操作系统的启动过程，包括两个部分：BootLoader、SimpleOS，大家一看名字就理解了，前者是用来加载操作系统的，后者当然就是一个简单的操作系统了，这个操作系统有多简单呢？答：非常简单，只是读取串口收到的数据，然后把数据再发送回去。 BootLoader与SimpleOS都存储在DE2上的flash中，DE2具有4MB的nor flash，可以用来作启动盘，通过SOPC的结构可以知道，flash控制器连接到Wishbone互联矩阵的s3，所以flash的寻址空间是从0x30000000开始的，这也就要求我们的OpenMIPS启动后，要从0x30000000地址处取指，也就是从flash的偏移地址0处开始取指执行。 BootLoader与SimpleOS的代码在flash中的存放方式如下：
BootLoader放在flash从0x0开始的位置，在flash的0x300处存放的是SimpleOS的长度信息，然后从0x304处开始存放SimpleOS。
OpenMIPS启动后，BootLoader首先读取0x300处的长度信息length，然后根据该信息，将从0x304处开始length个字，复制到SDRAM从0x0开始的地方，复制结束后，跳转到0x0地址，将控制权交给SimpleOS，这个过程模拟了目前操作系统的启动过程。
SimpleOS实现了UART的回显，当PC通过UART给OpenMIPS输入数据时，会引发OpenMIPS的中断，OpenMIPS中断处理程序将该数据回送回来。所以该程序还验证了OpenMIPS中断功能的实现与否。
本次试验使用的软硬件工具如下：
- 软件：quartusii 10.1 sp1、DE2的附带光盘、串口调试助手、Ubuntu虚拟机、GCC
- 硬件：Altera的DE2评估板
好了，关于我们实验的基础知识就介绍了完了，下面开始进入正题，分以下几步：
- 硬件连接
- 测试程序讲解
- Makefile与链接文件
- 测试程序编译
- flash烧录
- OpenMIPS工程建立
- 下载测试
1、硬件连接 很简单喽，如下，DE2与PC机的连接如下：
2、测试程序讲解
就两个程序BootLoader.asm、SimpleOS.asm，分别介绍，首先是BootLoader.asm，它的作用的就是读取flash的0x304地址处的一个字，其中是SimpleOS的长度信息length，然后从flash的0x304地址开始的length个字复制到SDRAM中，在我们的SOPC中，SDRAM是挂接在Wishbone互联矩阵的s0接口，所以SDRAM的地址是从0x00000000开始的，BootLoader在复制完毕后，会让处理器跳转到0x0处开始执行，这样就将控制器交给了刚刚复制到SDRAM的SimpleOS。代码如下： .set noat .set noreorder .set nomacro .org 0x0 .text .align 4 .global _start _start: ###################### 设置UART控制器 ##################### lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0003 ori $2,$0,0x80 sb $2,0x0($1) # 向0x10000003地址写入0x80，UART控制器连接到 # Wishbone总线互联矩阵的s1，所以其地址是从0x10000000开始， # 通过查询UART的手册可知，偏移为3的地址对应的是line control寄存器 # 向该寄存器写入0x80，表示下面可以设置分频值（divisor latch） # 通过UART的手册可知，分频值等于系统时钟/(16*波特率)，此处设置波特率 # 为9600，DE2上的时钟是27MHz，所以分频值为0xB0
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0001 ori $2,$0,0x00 sb $2,0x0($1) # 向0x10000001地址写入0x00，此时的line control寄存器是0x80 # 通过查询UART的手册可知，此时向0x1写入0x00，就是设置分频值的MSB # 为0x00
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0000 ori $2,$0,0xB0 sb $2,0x0($1) # 向0x10000000地址写入0xB0，此时的line control寄存器是0x80 # 通过查询UART的手册可知，此时向0x0写入0xB0，就是设置分频值的LSB # 为0xB0
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0003 ori $2,$0,0x03 sb $2,0x0($1) # 向0x10000003地址写入0x03，对应的是line control寄存器， # 就是设置串口通信参数，8bit，没有奇偶校验位，1bit停止位
###################### 设置GPIO控制器 ##################### lui $1,0x2000 ori $1,$1,0x0008 lui $2,0xffff ori $2,$2,0xffff sw $2,0x0($1) # 向0x20000008地址写入0xffffffff，GPIO控制器连接到 # Wishbone总线互联矩阵的s2，所以其地址是从0x20000000开始， # 通过查询GPIO的手册可知，偏移为8的地址对应的是RGPIO_OE寄存器 # 向该寄存器写入0xffffffff，表示GPIO的32个输出都使能
lui $1,0x2000 ori $1,$1,0x000c lui $2,0x0000 ori $2,$2,0x0000 sw $2,0x0($1) # 向0x2000000c地址写入0x00000000， # 通过查询GPIO的手册可知，偏移为c的地址对应的是RGPIO_INTE寄存器 # 向该寄存器写入0x00000000，表示中断禁止
###################### 等待SDRAM初始化完毕 ##################### ###在前面介绍过，SDRAM的sdram_init_done输出连接到GPIO，所以可以通过GPIO的输入判断 ###SDRAM是否初始化完毕 _waiting_sdram_init_done: lui $1,0x2000 ori $1,$1,0x0000 lw $4,0x0($1) srl $4,$4,0x10 andi $4,$4,0x0001 beq $4,$0,_waiting_sdram_init_done nop
###################### 打印启动开始信息 ##################### li $1,0x1 la $2,_BootBeginInfoStr la $3,_BootBeginInfoStrLen lb $5,0x0($3) 1: lb $4,0x0($2) jal _print # 通过串口打印寄存器r4的值 addi $2,$2,0x1 bne $5,$0,1b subu $5,$5,$1
###################### 获取SimpleOS的长度 ##################### li $5,0x4 lui $1,0x3000 ori $1,$1,0x0300 # SimpleOS的长度信息存储在flash的0x300处 lw $1,0x0($1) # r1: rom length nop
###################### 从flash向SDRAM复制SimpleOS ################### lui $2,0x0000 # r2: destination address lui $3,0x3000 ori $3,$3,0x0304 # r3: source address 1: lw $4,0x0($3) nop sw $4,0x0($2) addi $2,$2,0x4 addi $3,$3,0x4 nop bgez $1,1b subu $1,$1,$5
###################### 打印启动结束信息 ################### li $1,0x1 la $2,_BootEndInfoStr la $3,_BootEndInfoStrLen lb $5,0x0($3) 1: lb $4,0x0($2) jal _print addi $2,$2,0x1 bne $5,$0,1b sub $5,$5,$1
###################### 跳转到SDRAM ################### jr $0 nop
###################### 串口输出函数 ################### _print: lui $6,0x1000 ori $6,$6,0x0 sb $4,0x0($6) # 向地址0x10000000写入r8的值，0x10000000对应的就是 # 发送缓冲地址 _waiting_transmit_done: lui $6,0x1000 ori $6,$6,0x0005 lb $7,0x0($6) # 读取地址0x10000005的值，对应的是line state寄存器的值
andi $7,$7,0x20 beq $7,$0,_waiting_transmit_done # 如果line state寄存器的第5bit为1，表示发送完毕 nop jr $31 nop
###################### 一些预定义常量 ################### .data _BootBeginInfoStr: .ascii "Loading OS into SDRAM...\n" _BootBeginInfoStrLen: .byte 26 _BootEndInfoStr: .ascii "Load OS into SDRAM DONE!!!\n" _BootEndInfoStrLen: .byte 28
SimpleOS.asm的主要作用是当串口收中断时，在中断处理例程中将串口收的数据再通过串口发送出去，实现回显功能，其代码如下：
.org 0x0 .set noat .set noreorder .set nomacro .global _start _start: ######################## SimpleOS的启动代码 ############################ ori $1,$0,0x100 jr $1 # 跳转到0x100处，因为0x100地址以下是一些中断处理的入口
######################## 外部中断处理例程 ############################ .org 0x20 # 0x20是外部中断的处理例程入口地址 mfc0 $1,$12,0x0 andi $4,$1,0x0100 bne $4,$0,_int2 # 判断是否是UART输入中断，如果是，则跳转到_int2 nop eret
######################## UART控制器初始化 ############################ .org 0x100 lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0003 ori $2,$0,0x80 sb $2,0x0($1)
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0001 ori $2,$0,0x00 sb $2,0x0($1) # MSB of divisor latch
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0000 ori $2,$0,0xB0 sb $2,0x0($1) # LSB of divisor latch
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0003 ori $2,$0,0x03 sb $2,0x0($1) # 8bit, no parity, 1 stop bit
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0001 ori $2,$0,0x01 sb $2,0x0($1) # 设置UART控制器在收到数据时送出中断信号
###################### 设置OpenMIPS的status寄存器 ##################### lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0101 # 使能串口中断，在OpenMIPS_min_sopc中串口中断对应的是 # 中断输入的第1bit mtc0 $1,$12,0x0
###################### 循环等待 ##################### _loop: j _loop nop
###################### 处理串口中断的函数 ################# _int2: lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0005 lb $3,0x0($1) # get line status register andi $3,$3,0x01 # 通过line status寄存器是否有数据输入 beq $3,$0,_end # 如果没有则跳转到_end，结束中断处理 nop
_sendback: # 有输入数据，将输入数据再通过串口输出 lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0000 lb $2,0x0($1) sb $2,0x0($1)
_loop2: lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0005 lb $2,0x0($1) # get line status register
andi $2,$2,0x20 beq $2,$0,_loop2 nop
lui $1,0x1000 ori $1,$1,0x0005 lb $3,0x0($1) andi $3,$3,0x01 bne $3,$0,_sendback nop
_end: eret nop
3、Makefile与链接文件
好了，在上一节介绍了测试程序，本节给出编译上面的测试程序需要的Makefile与链接文件，注意的是：编译BootLoader与SimpleOS需要不同的Makefile与链接文件，下面主要给出编译BootLoader时要用的Makefile与链接脚本，对编译SimpleOS的不同之处，会给出说明。 首先是链接文件，命名为ram.ld，内容如下：
MEMORY { ram : ORIGIN = 0x30000000 , LENGTH = 0x00000300 }
SECTIONS { .text : { *(.text) } > ram
.data : { *(.data) } > ram
.bss : { *(.bss) } > ram
.stack ALIGN(0x10) (NOLOAD): { *(.stack) _ram_end = .; } > ram }
ENTRY (_start)
这个链接文件是编译BootLoader时需要的，因为BootLoader在flash中执行，而flash的起始地址是0x30000000，所以在上面的链接文件中ram的ORIGIN是0x30000000。相应的，编译SimpleOS时的链接文件就要改变，因为SimpleOS是在SDRAM中运行，SDRAM的起始地址是0x00000000，所以编译SimpleOS的链接文件中的ram的ORIGIN是0x00000000，这一点要注意区分。 编译BootLoader时的Makefile文件如下：
ifndef CROSS_COMPILE CROSS_COMPILE = mips-sde-elf- endif CC = $(CROSS_COMPILE)as LD = $(CROSS_COMPILE)ld OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
OBJECTS = BootLoader.o
exportCROSS_COMPILE
# ******************** # Rules of Compilation # ********************
all: BootLoader.om BootLoader.bin BootLoader.asm
%.o: %.S $(CC) -mips32 $< -o [email protected] BootLoader.om: ram.ld $(OBJECTS) $(LD) -T ram.ld $(OBJECTS) -o [email protected] BootLoader.bin: BootLoader.om $(OBJCOPY) -O binary $< [email protected] BootLoader.asm: BootLoader.om $(OBJDUMP) -D $< > [email protected] clean: rm -f *.o *.om *.bin *.data *.mif *.asm
注意上面在编译的时候加上-mips32选项。最后得到的二进制文件BootLoader.bin。编译SimpleOS对应的Makefile与上面类似，只需要将BootLoader都改为SimpleOS即可。
4、测试程序编译
好了，有了源程序、Makefile、链接文件，我们可以编译测试程序了。要在Ubuntu虚拟机中编译，虚拟机中要已经安装好了增对MIPS架构的GCC编译器，具体安装方法我就不再详述了，这篇博文已经很长了，可以参考http://bbs.eetop.cn/thread-429161-1-1.html，在OpenMIPS教学版的文档中也就介绍http://bbs.elecfans.com/jishu_411089_1_1.html。 在Ubuntu中，将Makefile、链接文件、源程序放在一个文件夹下（当然BootLoader与SimpleOS要分别编译，所以需要两个文件夹），打开终端，使用cd命令进入BootLoader所在目录，输入make all，然后再进入SimpleOS所在目录，输入make all，这样我们就编译结束了。 编译结束后，得到两个文件：BootLoader.bin、SimpleOS.bin。在本文最开始的时候介绍过，flash中存放是有规范的，所以此时需要利用我们提供的一个小工具BinMerge.exe，将编译得到两个文件合并起来，并且符合规范。步骤如下：将编译得到的两个bin文件与BinMerge.exe复制到同一个目录下，然后打开终端，进入这个目录，输入如下命令：
./BinMerge.exe –f SimpleOS.bin –o OSImage.bin
如此，就得到最终的二进制文件OSImage.bin。
5、flash烧录
在之前的介绍中可以知道，OpenMIPS从flash启动，所以需要将测试程序烧录到flash中。DE2评估板上提供了一个4MB的flash，且是nor flash，可以作为启动盘使用。在烧录程序到flash之前，需要先erase flash，这是flash的特性决定的。 首先打开quartusii的programmer工具，选择DE2_USB_API.sof，作为要下载目标板上的文件（注意不要在路径中有中文），该文件是DE2附带光盘提供的（在OpenMIPS实践版的发布中也包含了该文件）。如下：
下载完成后，打开DE2附带光盘的DE2_Control_Panel.exe程序（在OpenMIPS实践版的发布中也包含了该文件），选择Open菜单，点击Open USB Port，然后点击FLASH这个Tab，点击Chip Erase按钮，将erase flash，该过程大约40秒钟。
然后选中File Length前面的复选框，点击“Write a File to FLASH”按钮，选择在上一步节中得到的OSImage.bin文件，就会将该文件写入flash中。这样flash就烧录完毕了。
注意此时需要点击Open菜单，然后点击“Close USB Port”，否则下面的步骤无法进行。
6、OpenMIPS工程建立
打开quartusii，新建一个工程文件，添加OpenMIPS实践版的rtl目录下、min_sopc目录下的所有文件，如下：
使用cycloneii的EP2C35F672C6作为目标器件，这是DE2上的FPGA型号，这样就完成了quartusii工程建立，然后可以编译工程，编译完成后设置引脚信息，其中使用DE2上的27MHz时钟作为输入时钟，GPIO口连接到4个7段数码管，OpenMIPS的reset输入连接到拨码开关sw17，同时还还设置flash、SDRAM的连接。
在OpenMISP实践版的tools/Altera/DE2目录下提供了一个文件“引脚配置.txt”，其中有DE2上的引脚配置文件，可以直接将该文件复制到OpenMIPS_min_sopc.qsf中，即可完成引脚配置。配置完引脚后，需要再次编译工程。得到OpenMIPS_min_sopc.sof文件。
7、下载测试
打开quartueii的programmer工具，选择在10.2节得到的OpenMIPS_min_sopc.sof，将其下载到DE2上，下载完成后，拨动SW17开关，先向上拨一下，对应reset为高电平，OpenMIPS在复位，打开串口调试程序，然后再将sw17拨到下面，对应reset无效，此时OpenMIPS开始工作。会出现如下界面：
上面是BootLoader启动界面，下面是SimpleOS运行时的回显界面：
好了，小伙伴们，OpenMIPS实践版验证结束了，下一步就是移植ucos-II了，未完待续哦！