目录

1       概述....................................................................... 1

2       几种常见的boot方式......................................................... 1

2.1........................................................................................... 从EPCS串行存贮器中boot........ 1

2.2....................................................................................... 从外部CFI 并行flash中boot........ 1

3       从EPCS中boot................................................................................................................................................. 1

3.1..................................................................................... EPCS控制器的bootloader分析........ 2

3.2.................................................................................................................... EPCS控制器........ 3

3.3........................................................................................................ EPCS串行存贮器件........ 5

4       从并行flash中boot.......................................................................................................................................... 5

4.1..................................................................................................... 并行flash配置控制器........ 5

4.2................................................................................................ 直接在Flash中运行程序........ 5

4.3....................................................................................................... 在RAM中运行程序........ 6

5       Bootloader解读.............................................................. 7

5.1............................................................................................................ boot_loader.s解读........ 8

5.2.......................................................................................... boot_loader_epcs_bits.s解读........ 10

5.3.............................................................................................. boot_loader_cfi_bits.s解读........ 21

6       Crt0.s解读........................................................................................................................................................ 23

1          概述

Nios II 的boot过程要经历两个过程。

1.         FPGA器件本身的配置过程。FPGA器件在外部配置控制器或自身携带的配置控制器的控制下配置FPGA的内部逻辑。如果内部逻辑中使用了Nios II，则配置完成的FPGA中包含有Nios II软核CPU。

2.         Nios II本身的引导过程。一旦FPGA配置成功后，Nios II 就被逻辑中的复位电路复位，从reset地址开始执行代码。Nios II 的reset地址可以在SOPC builder的“Nios II More‘CPU’setting”页表中设置。

2          几种常见的boot方式

2.1         从EPCS串行存贮器中boot

这种boot方式，FPGA的配置数据和Nios II的程序都存放在EPCS器件中。FPGA配置数据放在最前面，程序放在后面，程序可能有多个段，每个段前面都插有一个“程序记录”。一个“程序记录”由2个32位的数据构成，一个是32位的整数，另一个是32位的地址，分别用于表示程序段本身的长度和程序段的运行时地址。这个“程序记录”用于帮助bootloader把各个程序段搬到程序执行时真正的位置。EPCS是串行存贮器，Nios II 不能直接从EPCS中执行程序，它实际上是执行EPCS控制器的片内ROM的代码（即bootloader），把EPCS中程序的搬到RAM中执行。

2.2         从外部CFI 并行flash中boot

这种boot方式还可以分为2种情况。

1.         程序直接在flash中运行。这种情况程序不需要另外的bootloader，Nios II 复位时reset地址（指向flash内部）开始执行程序，程序必须有启动代码用于搬移.rwdata段（因为.rwdata段是可读写的不能存放在flash中），同时如果.RODATA段和.EXCEPTIONS段连接时没有指定在flash中话（比如在RAM中），也会被搬到RAM中，并对.bss段清零，设置栈的指针。这些工作都在Crt0.s中完成。

2.         程序在RAM（包括On-chip Ram，SDRAM，SSRAM…泛指一般的RAM）中运行。这种情况需要有一个专门的bootloader，它把存放在flash中的各个程序段搬到程序执行时各个段真正的位置。

3          从EPCS中boot

要支持Nios II从EPCS中boot首先要求FPGA器件要支持主动串行配置。Altera的Cyclone，Cyclone II和Stratix II系列的FPGA支持主动串行配置。直到Nios II 5.1版本，Nios II 从EPCS中boot在Stratix II系列的FPGA上实现上仍有问题。所以这种方式主要用于Cyclone和Cyclone II系列的器件。

为了实现这种boot方式，用户必须在SOPC builder中添加一个EPCS控制器，无须给它分配管腿，Quartus II 会自动给它分配到专用管腿上。添完EPCS控制器后，SOPC builder会给它分配一个base address，这个地址是EPCS控制器本身携带的片上ROM在Nios II系统中的基地址，这个ROM存有一小段bootloader代码，用于引导整个过程。所以，必须在SOPC builder的“Nios II More‘CPU’setting”页表中把reset地址设置为这个基地址，使得Nios II 复位后从这个地址开始执行以完成整个引导过程。

3.1         EPCS控制器的bootloader分析

EPCS控制器带有一块片内ROM，内有Bootloader代码，Nios II 就靠这段代码完成boot过程。它把EPCS里的Nios II程序映象复制到RAM中，然后跳转到RAM中运行。由于程序映象是由elf2flash输出的，bootloader对被搬运的程序映象的位置和结构的解读必须和elf2flash工具一致。FPGA的配置数据从EPCS偏移为0的地址开始存放，紧挨着配置数据后面是一个32位的整数，指示程序段的长度，接着是一个32位的地址，指示程序执行时该程序段的地址，我们把这个长度和地址一起称为“程序记录”，“程序记录”随后就是程序段映象。一个程序可能有多个程序段，所以也就有多个“程序记录”和程序段映象。Bootloader必须知道FPGA配置数据的长度以读取配置数据后面的内容，不同型号的FPGA的配置数据长度是不同的，所以必须读取配置数据的头部信息获取配置数据的长度，进而逐个读取程序段映象的长度和运行时地址，然后把程序段映象搬到目的运行时地址。为了存取EPCS，bootloader构造了一些位置无关汇编代码。EPCS的存贮布局如下所示：

当bootloader读取到L时，L＝0，表示前面所有的程序记录已经处理完毕，这个是最后的程序记录就直接跳到地址A的地方执行。显然A必须是程序的入口地址。如果L＝0xffffffff（即-1），那么就忽略A并停机，这样，即使是一个只有FPGA配置数据而没有程序的EPCS也是安全的。当一个EPCS只有配置数据而没有程序的时候，sof2flash会在配置数据的末尾增加4个字节的0xff使bootloader不会有误动作。Bootloader的工作流程如下：

3.2         EPCS控制器

EPCS控制器手册没有对EPCS进行详细的说明只是建议用户使用Altera的HAL函数来存取。其实EPCS控制器由两个独立的部件构成：

1.Rom。大小是512个字节，也就是128 words。尽管EPCS控制器手册表述了Rom的大小是1K字节，实际上直到Nios II 5.1 EPCS控制器的Rom仍然是512个字节，因此手册中给出的寄存器偏移地址都需要修正。

2.SPI Master控制器。EPCS串行存贮器的接口符合SPI标准。Nios II 可以通过SPI Master来存取EPCS串行存贮器。这两个部件的地址（从Nios II 的角度看，以字节为单位）安排如下：

l         Rx Data寄存器
Nios II从Rx Data寄存器中读出从EPCS中接收到的数据。当接收移位寄存器收到满8位的数据，status寄存器的RRDY位被置1，同时数据被传入Rx Data寄存器。读取Rx Data寄存器会把RRDY位清掉，而往Rx Data写则没有影响。

l         Tx Data寄存器
Nios II把要发送的数据写到Tx Data寄存器。status寄存器中的TRDY位置1表示Tx Data寄存器准备好接收来自Nios II的新数据。Tx Data被写了之后，TRDY位就被置0，直到数据从Tx Data转移到发送移位寄存器又会被重新置为1。

l         Status寄存器
status寄存器包含有指示当前状态的位。几乎每一位都和control寄存器的一个中断允许位相关。Nios II任何时候都可以读取status寄存器，不会影响该寄存器的值。往status寄存器写将清除ROE，TOE和E这些位。下表描述了各个位的含义：

l         Control寄存器
control寄存器控制SPI Master的操作。Nios II可以在任何时候读取control寄存器而不改变它的值。大部分control寄存器的位（IROE，ITOE，ITRDY，IRRDY和IE）控制status寄存器相应位的中断。比如当IROE设为1，就允许当status中的ROE为1时产生中断。只有当control寄存器和stauts寄存器中的相应位都为1的情况下，SPI Master才会产生中断。

l         Slave enable寄存器
slave enable寄存器中的某一位置1表示相应的ss_n信号可以被驱动有效（即在control寄存器中写SSO位为1，或者有数据写入Tx Data寄存器准备开始传送数据）。Slave enable寄存器可以多位为1，但是需要有其它逻辑来处理多个SPI slave的冲突问题。

l         End of Packet寄存器
End of Packet寄存器包含End of Character，当某一Avalon master读出的Rx Data寄存器字节和End of Character一样，或者写入Tx Data的字节和End of Character一样时，SPI Master产生EOP标志。如果该Avalon master支持endofpacket信号，则会中断传输。

EPCS控制器在例化SPI Master时使用下列参数：数据位8位；SPI时钟SCLK频率20MHz；MOSI（ASDO）在SCLK的下降沿处输出；MISO（DATA0）在SCLK上升沿处采样；SCLK的初始相位为0；MSB先输出，LSB后输出；目标延迟100us（即ss_n输出为低到SCLK开始驱动输出时钟脉冲的延迟为100us）。

3.3         EPCS串行存贮器件

Altera的器件手册对EPCS器件有完整清楚的表述。在read byte，read status和read silicon ID操作时，发出命令后，所要的数据会马上从EPCS的DATA管腿移出。所以EPCS控制在发出命令后继续发送虚拟数据（比如0或随便什么值），在发送虚拟数据的同时接收EPCS送出的数据，就可以获取所要的数据。SPI接口的发送和接收是同时的，为了接收数据，你必须发送点什么，尽管这些数据是对方不需要的，同样在你发送命令或数据的同时也会收到点什么，尽管这些也不一定是你需要的。

4          从并行flash中boot

4.1         并行flash配置控制器

Nios II应用常常把Nios II 程序和FPGA配置数据都存放在flash中。这就需要一个配置控制器来驱动flash输出配置数据完成FPGA的配置。配置控制器可以用一片CPLD来实现。Flash除了可以存贮FPGA配置数据和Nios II程序外还可以存贮其它数据（比如只读文件系统）。Flash中的配置数据区还可以分为两个区，一个用于用户逻辑，另一个用于出厂逻辑。当用户逻辑配置失败后，就会自动使用出厂逻辑，保证任何时候都有一个配置可以工作。另外，配置控制器还可以接收来自Nios II 的重配置请求，并驱动FPGA重新配置，完成FPGA的现场升级。Stratix开发板的配置控制安排偏移量为0的地方存放Nios II程序，而FPGA用户配置逻辑从偏移量0x600000开始，出厂配置则从偏移量0x700000开始。

Stratix开发板的并行flash配置控制器其实是一个地址序列生成器，地址生成器的输入时钟是板上时钟的4分频（比如，板上的晶振时钟是50MHz，则地址生成器的时钟就是12.5MHz）。上电的时候，由上电复位芯片提供的复位信号复位，地址生成器初始化为用户逻辑的配置数据的偏移量（比如Stratix板是0x600000），然后开始计数并驱动地址由低往高增长，使flash送出对应地址的配置数据。配置控制器监测FPGA的config_done信号，一旦发现FPGA配置完成就停止计数，并置flash的地址和其它控制线为高阻，以免影响Nios II对flash的操作。FPGA配置完成后，内部逻辑开始生效，复位Nios II，Nios II开始从reset地址执行程序。

4.2         直接在Flash中运行程序

嵌入式应用有时希望程序能够直接在flash中运行，以节约RAM空间，降低成本。为了使程序直接在flash中运行，可以在SOPC builder中设置reset地址在flash中，连接程序的时候可以指定程序的.TEXT段和.RODATA段存放在flash中，而让.RWDATA和堆栈放在RAM中（这2个段都是可读写的，不能放在flash中）。同时还可以在SOPC builder中指定exception地址到flash中，也可以节约一点RAM空间。由于最后的flash映象文件.flash文件（.flash文件其实是.srec格式的文件）中没有bss段，所以程序的开始必须在RAM中建立bss段并清0，同时也把.RWDATA段从flash中拷贝到RAM中（.RWDATA段在程序运行的时候必须在RAM中），并设置好栈，建立好C程序的工作环境然后调用C用户入口函数。这些工作都是由Crt0.s来完成的。下面是Crt0.s在flash中运行的工作流程：

4.3         在RAM中运行程序

程序在flash运行通常比在RAM中慢，所以有时也希望程序能够在RAM中运行。Nios II的reset地址仍然指向flash中（reset地址不能指向RAM，RAM在上电复位时还没有被初始化），在连接程序的时候可以把每个段都指定到RAM中，在SOPC builder中也可以把exception部分指定到RAM中。这样连接生成的可执行文件.elf文件就是适合在RAM中运行的程序。但在实际应用中这个程序最终存放在flash中，所以需要有一段bootloader代码，用于把flash中的程序映象拷贝到RAM中运行。工具elf2flash能够根据情况自动给你的程序在生成.flash文件时添加“程序记录”和bootloader。elf2flash判断其后随参数reset地址（就是Nios II的reset地址）和程序的入口地址是不是一样，如果一样就不添加“程序记录”和bootloader，如果不一样就添加。这个bootloader根据各个“程序记录”把程序映象拷贝到到RAM中并从RAM中执行。和EPCS一样，每个“程序记录”由两个32位的数据组成，一个是程序的长度，一个目的执行地址（即程序的运行地址）。Stratix 开发板上flash中的存贮分布如下：

Bootloader的工作流程如下：

运行完bootloader后仍然要执行Crt0.s，但此时Crt0.s的流程和程序在flash中直接运行的情况有一些区别：它没有初始化指令cache，也不会企图去装载别的段，这些步骤已经在bootloader中完成。程序映象已经包含这些段，在搬移程序映象的同时也装载了相应的段（.RODATA段，.RWDATA段和.EXCEPTIONS段），程序映象中不包含.bss段和栈，所以仍然需要清.bss段以及设置栈指针和全局指针。Bootloader没有存取存贮器数据，因此没有初始化数据cache，所以Crt0.s仍然要初始化数据cache。

5          Bootloader解读

Altera提供了两个bootloader程序，一个用于从EPCS器件中boot，另一个用于从flash器件中boot。它们的汇编源码和makefile都在C:/altera/kits/nios2_51/components/altera_nios2/sdk/src/boot_loader_sources目录中。其中boot_loader.s是公共部分，而boot_loader_epcs_bits.s则用于从EPCS器件中Boot，boot_loader_cfi_bits.s用于从flash中Boot。

5.1         boot_loader.s解读

#ifdef EPCS

 #define FIND_PAYLOAD   sub_find_payload_epcs                     // 查找EPCS中数据负荷子程序

 #define READ_INT       sub_read_int_from_flash_epcs             // 从EPCS中读取一个32位word

 #define STREAMING_COPY sub_streaming_copy_epcs               // 从EPCS中拷贝流的子程序

 #define CLOSE_DEVICE   sub_epcs_close                                     // 关闭EPCS器件的子程序

#else

 #define FIND_PAYLOAD   sub_find_payload_cfi                        // 查找CFI并行flash中数据负荷的子程序

 #define READ_INT       sub_read_int_from_flash_cfi                // 从CFI并行flash中读取一个32位的word

 #define STREAMING_COPY sub_streaming_copy_cfi                  // 从CFI并行flash中拷贝流的子程序

#endif

#include "boot_loader.h"

    .global reset

    .global _start

    .global main

    .global end_of_boot_copier

reset:

_start:

main:

    // 清除CPU的状态寄存器禁止中断，这个动作在硬件复位的时候其实已经自动完成。.

    wrctl   status, r_zero

    // 冲刷指令cache.

    // Nios II 最多支持64Kbytes的指令cache，所以只初始化了64Kbytes的指令cache

    movhi   r_flush_counter,%hi(0x10000)

cache_loop:

    initi   r_flush_counter

    // 没有必要初始化数据cache, bootloader不存取存贮器数据

    addi    r_flush_counter, r_flush_counter,-32

    bne     r_flush_counter, r_zero, cache_loop

    // 冲刷流水线

    flushp

    // r_flash_ptr = find_payload();

    // 调用查找数据负荷子程序寻找数据负荷

    nextpc  return_address_less_4

    br      FIND_PAYLOAD

    // 拷贝.

    //

    // 在循环的开始，寄存器r_flash_ptr 包含“程序记录”的地址。

    //

    // 1) 读取“程序记录”的长度域（4-bytes）(r_data_size)

    // 2) 读取“程序记录”的目的地址域（4-bytes）(r_dest)

    // 3) 循环:

    //       拷贝 r_data_size 个字节, 一次一个字节: *r_dest++ = *r_flash_ptr++

    // 把0xFFFFFFFF装入r_halt_record，用于测试是否要停机。

    subi    r_halt_record, r_zero, 1

per_record_loop:

    //读取“程序记录”的长度域，r_data_size = READ_INT(r_flash_ptr++)。

    nextpc  return_address_less_4

    br      READ_INT

    mov     r_data_size, r_read_int_return_value

    // 读取“程序记录”的目的地址域，r_dest = READ_INT(r_flash_ptr++)。

    nextpc  return_address_less_4

    br      READ_INT

    mov     r_dest, r_read_int_return_value

    // 测试长度域是否为0

    // 如果是就直接运行程序

    beq     r_data_size, r_zero, last_program_record

    // 如果长度域为-1（0xFFFFFFFF），就停机。

halt_record_forever:

    beq     r_data_size, r_halt_record, halt_record_forever

    // 使用拷贝流子程序搬移数据

    nextpc  return_address_less_4

    br      STREAMING_COPY

    // 程序运行到这里，表明已经处理了当前的“程序记录”了，

    // 而且知道这不是最后一个“程序记录”因为它的长度域不为0，

    // 这就意味着要处理下一个“程序记录”。

    br      per_record_loop

last_program_record:

    // 处理完最后一个程序记录后就要把控制权转给实际的运行程序.

    // r_dest是实际程序的入口地址

    // 在中止boot-loader之前要关闭EPCS器件，如果不做这一步，

    // 会导致HAL的open()调用要花好几秒钟才能打开EPCS器件

#ifdef EPCS

    nextpc  return_address_less_4

    br      CLOSE_DEVICE

#endif

    // 跳转到目的地址运行程序

    callr   r_dest

afterlife:        // 程序跑到这里表明有问题。

    br      afterlife

    .end

5.2         boot_loader_epcs_bits.s解读

// 从EPCS串行flash设备读取字节的子过程

// 通过寄存器和EPCS打交道获取字节数

#include "boot_loader.h"

    .global sub_find_payload_epcs

    .global sub_read_int_from_flash_epcs

    .global sub_streaming_copy_epcs

    .global sub_epcs_close

// EPCS控制和状态寄存器的偏移量

#define EPCS_RXDATA_OFFSET  0x00

#define EPCS_TXDATA_OFFSET  0x04

#define EPCS_STATUS_OFFSET  0x08

#define EPCS_CONTROL_OFFSET 0x0C

// EPCS的位掩码

#define EPCS_STATUS_TMT_MASK  0x20

#define EPCS_STATUS_TRDY_MASK 0x40

#define EPCS_STATUS_RRDY_MASK 0x80

#define EPCS_CONTROL_SSO_MASK 0x400

// EPCS命令

#define EPCS_COMMAND_READ 0x03

    .text

//

// 查找EPCS的数据负荷

//

// 过程：

//     - 在偏移量为0的地方打开EPCS器件（FPGA配置数据在这里）

//     - 分析配置数据获取数据负荷开始的地址

//     - 关闭EPCS

//     - 在数据负荷的开始的地址再次打开EPCS

//

sub_find_payload_epcs:

    // 修正并存贮返回地址

    addi    r_findp_return_address, return_address_less_4, 4

    //

    // 计算EPCS控制/状态寄存器块的地址

    // 它在离本段代码的开头偏移量为512个字节的地方

    // 因为这段代码必须在512字节边界处，

    // 我们简单地把当前地址园整到下一个512个地址的边界。

    //

    // |

    // | 为了调试，你可以定义EPCS_REGS_BASE

    // | 作为EPCS寄存器基地址。否则就假设下一个512字节边界。

    // |

    nextpc  r_findp_temp

#ifdef EPCS_REGS_BASE

    movhi   r_epcs_base_address, %hi(EPCS_REGS_BASE)

    addi    r_epcs_base_address, r_epcs_base_address, %lo(EPCS_REGS_BASE)

#else

    ori     r_epcs_base_address, r_findp_temp, 511

    addi    r_epcs_base_address, r_epcs_base_address, 1

#endif

    //

    // 在偏移量为0的地方打开EPCS器件

    //

    movi    r_flash_ptr, 0

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_epcs_open_address

    //

    // 分析器件配置数据顺序读出字节直到下面任一个条件满足

    //       1) 我们找到0xA6 （其实应该是0x56，因为我们没有把位序颠倒过来）

    //          当我们找到它时表示我们找到配置数据，可以接着算出它的长度。

    //       2) 我们找到不是xFF字节，在这种情况我们根本没有在配置数据里查找

    //          我们假定我一定是在一个boot loader记录。跳过整个配置数据长度的计算

    //          开始装载。

    //       3) 我们在任意长的时间内找到的都是0xFF。我们猜测flash是空的没有其它可利用资源

    //

    // 搜索随意的一大块字节

    movi    r_findp_count, 0x400

    // 我们要找的模板是0x56

    movi    r_findp_pattern, 0x56

    // 在我们找到0x56之前唯一可以接受的字节是0xFF

    movi    r_findp_temp, 0xFF

fp_look_for_56_loop:

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_read_byte_from_flash_epcs

    // 我们发现模板了吗？

    beq     r_read_byte_return_value, r_findp_pattern, fp_found_sync

    // 我们发现非0xFF的字节了吗？

    bne     r_read_byte_return_value, r_findp_temp, fp_short_circuit

    // 更新循环计数器开始循环

    subi    r_findp_count, r_findp_count, 1

    bne     r_findp_count, r_zero, fp_look_for_56_loop

    // 我们没有找到模板或其它匹配的字节，挂起。

    // 先关闭EPCS器件

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_epcs_close

fp_hang:

    br      fp_hang

fp_found_sync:

    // 同步模板后面紧跟着的4个字节是我们感兴趣

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_read_int_from_flash_epcs

    // 这4个字节是配置的长度，它们的字节顺序是little-endian，但位序是反的。

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_read_int_from_flash_epcs

    // 把长度放到r_flash_ptr 中

    mov     r_flash_ptr, r_read_int_return_value

    // 此时我们获得了长度但是在EPCS器件中Quarts

    // 以相反的位序存贮字节

    //

    //   我们先把4位组反过来，再把2位组反过来，然后再把所有的位反过来。

    //   就象这样：

    //

    //  76543210 – 4位组反序--> 32107654 – 两位组反序 --> 10325476 – 位反序 --> 01234567

    //

    //  下面是整个循环的进行机制

    //       你会注意到这个反序过程只展示了一次

    //       不用担心，所有的字节都会被反序

    //

    //   ("x" == unknown, "." == zero)

    //

    //                           byte        temp        mask    count

    //                           --------    --------    --------  -----

    //   初始态           76543210    xxxxxxxx    00001111    4

    //

    // 1 temp = byte & mask      76543210    ....3210    00001111    4

    // 2 temp <<= count          76543210    3210....    00001111    4

    // 3 byte >>= count          xxxx7654    3210....    00001111    4

    // 4 byte &= mask            ....7654    3210....    00001111    4

    // 5 byte |= temp            32107654    3210....    00001111    4

    // 6 count >>= 1             32107654    3210....    00001111    2

    // 7 temp = mask << count    32107654    00111100    00001111    2

    // 8 mask ^= temp            32107654    00111100    00110011    2

    //

    //   loop on (count != 0)

    //

    //   temp = byte & mask      32107654    ..10..54    00110011    2

    //   temp <<= count          32107654    10..54..    00110011    2

    //   byte >>= count          xx321076    10..54..    00110011    2

    //   byte &= mask            ..32..76    10..54..    00110011    2

    //   byte |= temp            10325476    10..54..    00110011    2

    //   count >>= 1             10325476    10..54..    00110011    1

    //   temp = mask << count    10325476    01100110    00110011    1

    //   mask ^= temp            10325476    01100110    01010101    1

    //

    //   loop on (count != 0)

    //

    //   temp = byte & mask      10325476    .0.2.4.6    01010101    1

    //   temp <<= count          10325476    0.2.4.6.    01010101    1

    //   byte >>= count          x1032547    0.2.4.6.    01010101    1

    //   byte &= mask            .1.3.5.7    0.2.4.6.    01010101    1

    //   byte |= temp            01234567    0.2.4.6.    01010101    1

    //   count >>= 1             01234567    0.2.4.6.    01010101    0

    //   temp = mask << count    01234567    01010101    01010101    0

    //   mask ^= temp            01234567    01010101    00000000    0

    //

    // 初始化mask

    movhi   r_revbyte_mask, 0x0F0F

    addi    r_revbyte_mask, r_revbyte_mask, 0x0F0F

    // 装入count

    movi    r_findp_count, 4

fp_reverse_loop:

    // 屏蔽高一半的位把结果装入TEMP寄存器

    and     r_findp_temp, r_flash_ptr, r_revbyte_mask       // 1

    // 把TEMP中的位左移4位

    sll     r_findp_temp, r_findp_temp, r_findp_count       // 2

    // 把PTR中字节右移4位

    srl     r_flash_ptr, r_flash_ptr, r_findp_count         // 3

    // 屏蔽掉高4位

    and     r_flash_ptr, r_flash_ptr, r_revbyte_mask        // 4

    // 把PTR和TEMP中的位组合起来

    or      r_flash_ptr, r_flash_ptr, r_findp_temp          // 5

    // 更新移位计数器

    srli    r_findp_count, r_findp_count, 1                 // 6

    // 左移MASK 2位

    sll     r_findp_temp, r_revbyte_mask, r_findp_count     // 7

    // 更新MASK

    xor     r_revbyte_mask, r_revbyte_mask, r_findp_temp    // 8

    // 循环直到移位计数器为0

    bne     r_findp_count, r_zero, fp_reverse_loop

    //

    // 这个长度是以位为单位的长度，把它圆整到以字节为单位的长度。

    //

    addi    r_flash_ptr, r_flash_ptr, 7      // r_flash_ptr += 7

    srli    r_flash_ptr, r_flash_ptr, 3      // r_flash_ptr /= 8;

fp_short_circuit:

    // 关闭EPCS器件

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_epcs_close

    // 重新打开EPCS器件(at r_flash_ptr)

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_epcs_open_address

    jmp     r_findp_return_address

////////

// EPCS_Open_Address

//

// 打开EPCS器件以便于我们读取给定地址开始的字节流

// 地址在r_flash_ptr给出

//

// 这只是一个sub_tx_rx_int_epcs 子过程的头部

// 没有必要修正返回地址，相反它直接跳转到sub_tx_rx_int_epcs

// 然后让子过程返回到原来的调用者那里。

//

//   寄存器用法：

//       参数：       r_flash_ptr

//       临时寄存器： r_eopen_eclose_tmp

//       返回值：  --none--

//

sub_epcs_open_address:

    // 不需要修正返回地址，这只是一个子过程的头部

    // 通过控制寄存器使能EPCS器件的片选

    movi    r_eopen_eclose_tmp, EPCS_CONTROL_SSO_MASK

    stwio   r_eopen_eclose_tmp, EPCS_CONTROL_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 把读命令送入既定的寄存器中

    movhi   r_epcs_tx_value, (EPCS_COMMAND_READ << 8)

    // 把flash指针送入低24位中

    or      r_epcs_tx_value, r_epcs_tx_value, r_flash_ptr

    // 跳转到sub_tx_rx_int 子过程

    br      sub_tx_rx_int_epcs

    // 现在EPCS器件已经在r_flash_ptr处打开

////////

// 关闭EPCS

//

// 终止当前的EPCS事务

//

sub_epcs_close:

    // 修正返回地址

    addi    return_address_less_4, return_address_less_4, 4

    // 等待控制器说发送器空

close_ready_loop:

    ldwio   r_eopen_eclose_tmp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    r_eopen_eclose_tmp, r_eopen_eclose_tmp, EPCS_STATUS_TMT_MASK

    beq     r_eopen_eclose_tmp, r_zero, close_ready_loop

    // 清除SSO位释放CS

    stwio   r_zero, EPCS_CONTROL_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 返回

    jmp     return_address_less_4   // 我们已经修复了返回地址

////////

// sub_read_int_from_flash_epcs

//

// epcs_rx_tx的另外一个入口

//

// 在进入sub_tx_rx_int_epcs先把epcs_tx_value清0

//

sub_read_int_from_flash_epcs:

    // 这个子过程读取EPCS器件的下一个32位word，

    // 假设一个有效的读命令和地址已经发出去，片选也是使能的

    // 给发送的内容清0。

    //

    mov     r_epcs_tx_value, r_zero

    //

    // 进入sub_tx_rx_int_epcs子过程

    //

////////

// sub_tx_rx_int_epcs

//

//   这个子过程往flash写4个字节同时也读回4个字节

//   这4个字节没有什么地址对齐的限制

//   这个子过程写的时候是高位在先，读的时候是低位在先

//   因为EPCS处理命令的时候是高位在先，但是SOF文件的

//   编码却是低位在先

//

//   这个子过程和tx_rx_byte共享输入参数

//   只要tx_rx_byte 不破坏它的输入参数，

//   那这么做就是安全的。

//

//   寄存器用法：

//      入口参数：        r_epcs_tx_value

//      局部变量：        r_trie_count

//      局部返回指针：    r_riff_return_address

//      返回的值：        r_read_int_return_value

//

sub_tx_rx_int_epcs:

    // 修正返回地址

    addi    r_riff_return_address, return_address_less_4, 4

    //

    // 写（高位在先）然后读（低位在先）

    //

    // 清楚返回的值

    mov     r_read_int_return_value, r_zero

    // 发送/接收的字节数

    movi    r_trie_count, 4

trie_loop:

    // 定位发送字节，使符合参数格式要求

    roli    r_epcs_tx_value, r_epcs_tx_value, 8

    // 发送/接收一个字节

    nextpc  return_address_less_4

    br      sub_tx_rx_byte_epcs

    // 把它反在结果寄存器的低位字节

    or      r_read_int_return_value, r_read_int_return_value, r_read_byte_return_value

    // 循环移位结果寄存器以便于最后一个字节在高位字节

    //  把其它字节移到低位字节

    roli    r_read_int_return_value, r_read_int_return_value, 24

    // 计数器减1，继续循环。

    subi    r_trie_count, r_trie_count, 1

    bne     r_trie_count, r_zero, trie_loop

    // 返回

    jmp     r_riff_return_address

////////

// sub_read_byte_from_flash_epcs

//

// epcs_rx_tx.的另一个入口

//

//   在进入epcs_tx_rx 之前把epcs_tx_value清0

//

sub_read_byte_from_flash_epcs:

    // 该过程读取EPCS器件的下一个字节，

    // 假设一个读命令和地址已经发送，片选也已经使能。

    //

    // 只要发送0给器件，我们就能收到下一个字节。

    //

    mov     r_epcs_tx_value, r_zero

    //

    // 进入sub_tx_rx_byte_epcs子过程

    //

////////

// sub_tx_rx_byte_epcs

//

// EPCS器件很有趣，每次你发送一些东西，同时也会收到东西。

// 每次你想收到东西，你就必须发送一些东西。

// 这个子过程把它的入口参数内容发送给EPCS, and returns whatever was

// 然后返回它从EPCS获取的值。

//

// 寄存器用法：

//   输入参数：       r_epcs_tx_value

//   临时寄存器：     rf_temp

//   返回值：   r_read_byte_return_value

//

sub_tx_rx_byte_epcs:

    // 修正返回地址Fix-up return-address  (NOTE: LEAF)

    addi    return_address_less_4, return_address_less_4, 4

    // 等待控制器准备好接收TX字节，然后发送它。

tx_ready_loop:

    ldwio   rf_temp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    rf_temp, rf_temp, EPCS_STATUS_TRDY_MASK

    beq     rf_temp, r_zero, tx_ready_loop

    stwio   r_epcs_tx_value, EPCS_TXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 等待从EPCS接收的字节有效，然后获取它。

rx_ready_loop:

    ldwio   rf_temp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    rf_temp, rf_temp, EPCS_STATUS_RRDY_MASK

    beq     rf_temp, r_zero, rx_ready_loop

    ldbuio  r_read_byte_return_value, EPCS_RXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 返回

    jmp     return_address_less_4   // 返回地址已被修正

////////

// 流拷贝

//

//   拷贝r_data_size字节，从r_flash_ptr到r_dest。

//

//   寄存器用法：

//       参数：r_data_size – 要拷贝的字节数

//       参数：r_dest    - 拷贝的目的地址

//       隐含条件：    r_flash_ptr – 拷贝的源地址

//       临时寄存器： rf_temp

//       返回值：无

//

//   所有参数在子过程中都会被破坏

//

//   Note: we don‘t keep the flash ptr up to date.  Instead

//           we just keep streaming from the EPCS device

//

sub_streaming_copy_epcs:

    // 修正返回地址  (NOTE: LEAF)

    addi    return_address_less_4, return_address_less_4, 4

    // 为了更好的可读性，给r_data_size再定义一个别名

    #define r_dest_end r_data_size

    // 通过长度计算结束地址

    add     r_dest_end, r_data_size, r_dest

    subi    r_dest_end, r_dest_end, 1

    // 等待EPCS控制器准备好接收TX字节

epcs_copy_initial_wait:

    ldwio   rf_temp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    rf_temp, rf_temp, EPCS_STATUS_TRDY_MASK

    beq     rf_temp, r_zero, epcs_copy_initial_wait

    // 给EPCS送0

    stwio   r_zero, EPCS_TXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    //

    // do {

    //   *r_dest++ = (char*)r_flash_ptr++)

    // while (r_dest <= r_dest_end);

    //

epcs_copy_loop:

    // 等待读取的字节有效

    ldwio   rf_temp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    rf_temp, rf_temp, EPCS_STATUS_RRDY_MASK

    beq     rf_temp, r_zero, epcs_copy_loop

    // 读取EPCS的一个字节，并立即要求下一个字节

    // 不必等待TX准备好，如果RX准备好了TX也一样。

    ldwio   rf_temp, EPCS_RXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    stwio   r_zero, EPCS_TXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 存贮读到的字节，并更新目的地址指针

    stbio   rf_temp, 0(r_dest)

    addi    r_dest, r_dest, 1

    // 循环直到目的地址指针指向结束地址

    bne     r_dest, r_dest_end, epcs_copy_loop

epcs_copy_last_wait:

    // 等待最后读取的字节有效

    ldwio   rf_temp, EPCS_STATUS_OFFSET (r_epcs_base_address)

    andi    rf_temp, rf_temp, EPCS_STATUS_RRDY_MASK

    beq     rf_temp, r_zero, epcs_copy_last_wait

    // 读取最后一个字节

    ldwio   rf_temp, EPCS_RXDATA_OFFSET (r_epcs_base_address)

    // 存贮最后一个字节

    stbio   rf_temp, 0(r_dest)

    // 返回

    jmp     return_address_less_4   // Don‘t worry--we fixed it.

// 文件结束

5.3         boot_loader_cfi_bits.s解读

#include "boot_loader.h"

    .global sub_find_payload_cfi                   // 查找数据负荷的子程序

    .global sub_read_int_from_flash_cfi                  // 从CFI并行flash中读取32位word的子程序

    .global sub_streaming_copy_cfi               // 从CFI并行flash中拷贝流的子程序

////////

// Read_Int_From_Flash_CFI

//

//   伪子程序，它从flash中读取4个字节并把它们拼起来形成一个整数

//   这4个字节没有地址对齐的要求

//   寄存器用法:

//      内部变量:      r_riff_count

//      内部指针:    r_riff_return_address

//      返回值:        r_read_int_return_value

//

sub_read_int_from_flash_cfi:

    // 修正中断返回地址，即在返回地址寄存器上加4

    addi    r_riff_return_address, return_address_less_4, 4

    //

    // 读取字节然后把它们移进返回寄存器中

    //

    // 先对返回寄存器清0

    mov     r_read_int_return_value, r_zero

    // 返回的字节数

    movi    r_riff_count, 4

riffc_loop:

    // 返回一个字节并泵进一下r_flash_ptr

    ldbuio  r_read_byte_return_value, 0(r_flash_ptr)

    addi    r_flash_ptr, r_flash_ptr, 1

    // 把它以逻辑或运算的方式送入结果寄存器的低位字节

    or      r_read_int_return_value, r_read_int_return_value, r_read_byte_return_value

    // 循环左移结果寄存器使最后一个字节在高位字节,

    // 把其它字节移到低位字节

    roli    r_read_int_return_value, r_read_int_return_value, 24

    // 计数器减1并循环

    subi    r_riff_count, r_riff_count, 1

    bne     r_riff_count, r_zero, riffc_loop

    // 返回.

    jmp     r_riff_return_address

////////

// 流拷贝

//

//   拷贝 r_data_size 字节从r_flash_ptr 到 r_dest

//

//   寄存器用法:

//       参数:   r_data_size 要拷贝的字节数

//       参数:   r_dest     拷贝的目的地址

//       隐含的寄存器参数:    r_flash_ptr  拷贝的源地址

//       临时寄存器:  rf_temp

//       返回值: 无

//

//   所有的参数寄存器都会在这个子过程中被破坏

//

sub_streaming_copy_cfi:

    // 修正返回地址  (NOTE: LEAF)

    addi    return_address_less_4, return_address_less_4, 4

    // 为更好的可读性，给同一个寄存器定义了两个别名。

    #define r_dest_end_plus_one r_data_size

    // 把长度转化成结束地址加1

    add     r_dest_end_plus_one, r_data_size, r_dest

    //

    // do {

    //   *r_dest++ = (char*)r_flash_ptr++)

    // while (r_dest != r_dest_end_plus_one);

    //

cfi_copy_loop:

    ldbuio  rf_temp, 0(r_flash_ptr)

    addi    r_flash_ptr, r_flash_ptr, 1

    stbio   rf_temp, 0(r_dest)

    addi    r_dest, r_dest, 1

    // 循环直到目的地址destination == 1 + 结束地址

    bne     r_dest, r_dest_end_plus_one, cfi_copy_loop

    // Return

    jmp     return_address_less_4   // 不用担心，我们已经修正了它的值。.

////////

// 查找数据负荷

//   把数据负荷的第一个字节的偏移量送到r_flash_ptr返回。

// CFI:

//    数据负荷紧挨着boot-copier的后面存放，使用一些nextpc 这些位置无关

//    的指令来查找。

sub_find_payload_cfi:

    // 修正并存贮返回地址

    addi    r_findp_return_address, return_address_less_4, 4

    nextpc  r_flash_ptr

payload_offset_base:

    addi    r_flash_ptr, r_flash_ptr, (end_of_boot_copier - payload_offset_base)

    // 找到数据负荷r_flash_ptr现在包含有数据负荷的地址。

    jmp     r_findp_return_address

//

// 对于一个基于flash的启动代码，我们把它放在

// |reset地址，然后把数据紧挨着它存放，end_of_boot_copier

// 就是数据负荷的地址。

end_of_boot_copier:

// 数据在这里。

    .end

6          Crt0.s解读

Nios II c程序在运行之前需要做一些初始化工作。如果程序直接从falsh中运行则Crt0.s是最先执行的代码，如果程序不是直接从flash中运行则Crt0.s是执行完bootloader后最开始执行的代码。

#include "nios2.h"

#include "system.h"

/*

 * 宏ALT_LOAD_SECTIONS用于"run from flash"模式。它用于确定

 * 是否有section（.RODATA段，.RWDATA段或.EXCEPTIONS段）

* 需要从flash装到RAM中。如果有的话就调用函数alt_load()加以装载。

 */

#define __ALT_LOAD_SECTIONS(res, text, rodata, exc) /

  ((res##_BASE != rodata##_BASE) ||                 /  // 如果复位地址和.RODATA段，.RWDATA段

   (res##_BASE != rwdata##_BASE) ||                 /          // 或.EXCEPTIONS段所在存贮器基地址不同，

   (res##_BASE != exc##_BASE))                                  // 则表明需要装载。符号“＃＃”用于拼接两个名字。

#define _ALT_LOAD_SECTIONS(res, text, rodata, exc) /

    __ALT_LOAD_SECTIONS(res, text, rodata, exc)

#define ALT_LOAD_SECTIONS _ALT_LOAD_SECTIONS(ALT_RESET_DEVICE,  /

                                             ALT_RODATA_DEVICE, /

                                             ALT_RWDATA_DEVICE, /

                                             ALT_EXCEPTIONS_DEVICE)

     /*

     * 这是Nios II的入口地址

     *

     * 复位的时候只有包含有复位向量的cache line是初始化的，

     * 所以第一个cache line 的代码要初始化其它的指令cache。

     * 一个指令cache line大小是32个字节，所以代码长度不能超过8个指令。

     * 注意：自动生成的linker script要求.init section小于0x20个字节

     */

     .section .entry, "xa"            // .entry段可执行可分配的

     .align 5               // 和2^5=32字节边界对齐

      /*

      * 用户C代码要么在hosted mode 的mainn中，要么在standalone mode的alt_main中

      */

     .globl main

     .globl alt_main

     /*

      * 生成一个软件multiply/divide中断处理引用

      * 这样一旦有下面的宏定义，它们就会被连入可执行文件中。

      */

#ifndef ALT_NO_INSTRUCTION_EMULATION

        .globl alt_exception_muldiv

#endif

#ifdef ALT_TRAP_HANDLER

        .globl alt_exception_trap

#endif

      /*

      * 有些工具需要知道reset vector在哪里

      */

     .globl __reset

      /*

      * 连接器定义的符号，用于初始化.bss

      */

     .globl __bss_start                          // .bss段的开始地址

     .globl __bss_end                            // .bss段的结束地址

     /*

      * 明确声明可以使用r1 (汇编临时寄存器at)。

      * 这个寄存器正常是保留个编译器使用的。

      */

     .set noat

    .type __reset, @function               // 把__reset作为函数符号

__reset:

#ifdef ALT_RUN_FROM_FLASH

      /*

      * 如果我们在"run from flash"模式，那我们必须把代码放在

      * reset 地址，初始化指令cache后跳转到入口(注意：

      * 一旦.text段和reset 地址一样的话，"run from flash"就会

      * 被设置).  如果我们没有在"run from flash"模式，那

      * boot loader就会初始化指令cache就不需要这段代码了。

      */

/*

*   如果定义了ALT_SIM_OPTIMIZE 那这段代码不会在硬件上运行

*   这个定义移去了初始化的指令cache和数据cache。它假设这些在

*   仿真模型中已经做了

*/

#ifndef ALT_SIM_OPTIMIZE

    /* 初始化指令cache的所有cache line */

#if NIOS2_ICACHE_SIZE > 0

     /*

     * 假设指令cache大小是2的幂

     */

#if NIOS2_ICACHE_SIZE > 0x8000

    movhi r2, %hi(NIOS2_ICACHE_SIZE)          // 2的幂最高位为1，其它都是0，所以只要

#else                                                                           // 给高位字节赋值，低位字节清0就可以了。

    movui r2, NIOS2_ICACHE_SIZE                            // 小于32k时位长不超过16位，直接赋值就可以。

#endif

0:

    initi r2                                                                // Nios II的cache是直接映射型，

    addi r2, r2, -NIOS2_ICACHE_LINE_SIZE             // 只要对一段和cache大小一样的内存对应的cache，

    bgt r2, zero, 0b                                                 // 初始化即可以达到初始化整个cache的目的。

1:

    /*

    * 下面的调试信息块告诉仿真器不用运行上面的循环，

    * 而使用内部的快速代码

    */

    .pushsection .debug_alt_sim_info

    .int 1, 1, 0b, 1b

    .popsection

#endif /* NIOS2_ICACHE_SIZE > 0 */

    /*

     * 初始化cache后调用.text段的入口

     */

#endif /* ALT_SIM_OPTIMIZE */

    movhi r1, %hiadj(_start)                // 装入_start的高16位

    addi r1, r1, %lo(_start)                           // 装入_start的低16位

    jmp r1                                              // 跳转到.text段入口

    .size __reset, . - __reset               // 给函数符号__reset设置大小=当前位置-__reset开始的位置

#endif

    /*

    * .text段的开始，当程序用loader装载运行的时候同时也是代码的入口

    */

    .section .text

    .align 2                 // 4字节对齐

    .globl _start

    .type _start, @function                 // 把_start作为函数符号

_start:

/*

*   如果定义了 ALT_SIM_OPTIMIZE那这段代码不会在硬件上运行。

*   这个宏定义移去了指令和数据cache的初始化部分，我们假设仿真

*   模型已经做了这些工作。

*/

#ifndef ALT_SIM_OPTIMIZE

    /*

     * 在初始化指令cache后我们必须初始化数据cache

     */

#if NIOS2_DCACHE_SIZE > 0

    /*

    * 假设数据cache大小是2的幂

    */

#if NIOS2_DCACHE_SIZE > 0x8000

    movhi r2, %hi(NIOS2_DCACHE_SIZE)                           // 2的幂只有最高位是1，其它位都是0

#else                                                                            // 所以大于32k的数，只要存高位字节就可以

    movui r2, NIOS2_DCACHE_SIZE                                    // 其它位置为0，小于32k的数，则可以直接

#endif                                                                                   // 赋值。

0:

    initd 0(r2)                                                           // Nios II的cache是直接映射型的，所以只要

    addi r2, r2, -NIOS2_DCACHE_LINE_SIZE                     // 初始化任何一块和cache一样大小的内存相关

    bgt r2, zero, 0b                                                          // cache就可以初始化整个cache。

1:

    /*

    * 下面的调试信息块告诉仿真器不用执行上面的循环，

    * 而是执行内部的快速代码。

    */

    .pushsection .debug_alt_sim_info

    .int 2, 1, 0b, 1b

    .popsection

#endif /* NIOS2_DCACHE_SIZE > 0 */

#endif /* ALT_SIM_OPTIMIZE */

    /*

    * 现在caches已经被初始化，设置栈指针。

    * 我们假设由连接器提供的值已经4字节对齐了。

    */

    movhi sp, %hiadj(__alt_stack_pointer)           // __alt_stack_pointer由连接器脚本定义。

    addi sp, sp, %lo(__alt_stack_pointer)

    /* 设置global pointer. */

    movhi gp, %hiadj(_gp)                                               // _gp由连接器脚本定义。

    addi gp, gp, %lo(_gp)

#ifdef ALT_STACK_CHECK

    /*

    * 如果需要的化就设置栈顶变量。连接器已经在存贮器中设置了该变量的拷贝

    */

    ldw   et, %gprel(alt_stack_limit_value)(gp)

#endif

#ifndef ALT_SIM_OPTIMIZE

    /*

    * 给.bss段清0。

    *

    * 这里使用了符号：__bss_start and __bss_end,，这些在连接器脚本

    * 中定义的变量。它们标志了.bss的开始和结束，连接器脚本保证

    * 这些值都是32位对齐的。

    */

    movhi r2, %hiadj(__bss_start)

    addi r2, r2, %lo(__bss_start)

    movhi r3, %hiadj(__bss_end)

    addi r3, r3, %lo(__bss_end)

    beq r2, r3, 1f

0:                                                     // 给.bss段清0。

    stw zero, (r2)

    addi r2, r2, 4

    bltu r2, r3, 0b

1:

    /*

    * 下面的调试信息块告诉仿真器不用执行上面的循环，

    * 而执行内部的快速代码。

    */

    .pushsection .debug_alt_sim_info

    .int 3, 1, 0b, 1b

    .popsection

#endif /* ALT_SIM_OPTIMIZE */

     /*

     * 如果是从flash中运行的就把其它段装入RAM中。

     */

#ifdef ALT_RUN_FROM_FLASH                         // 如果没有bootloader即从flash直接执行，

#if ALT_LOAD_SECTIONS                          // 判断是否有段需要从flash中装到RAM中，

    call alt_load                                               // 有的话就调用alt_load函数装载。

#endif /* ALT_LOAD_SECTIONS */

#endif /* ALT_RUN_FROM_FLASH */

    /* 调用C入口 */

    call alt_main

    /* alt_main永远都不会返回，所以我们在这里不需要再做任何事情。

    */

    .size _start, . - _start                             // 给函数符号_start赋值大小=当前位置-_start开始的地址

#ifdef ALT_STACK_CHECK

    /*

    * 如果我们想检查堆栈溢出那我们需要知道堆栈的基地址

    */

    .globl  alt_stack_limit_value

    .section .sdata,"aws",@progbits

    .align  2

    .type   alt_stack_limit_value, @object

    .size   alt_stack_limit_value, 4

alt_stack_limit_value:

    .long   __alt_stack_limit

#endif