引 言

Altera公司的NiosII軟核處理器具有完全可定制特性、高性能、較低的產品和實旌成本、易用性、適應性以及不會過時等優勢。使用NiosII處理器，將不會局限于預先制造的處理器技術，而是根據用戶的標準定制處理器，按照需要選擇合適的外設、存儲器和接口。此外，還可以輕松集成用戶專有的功能，使設計具有獨特的競爭優勢。

NiosII處理器的軟件開發是建立在ANSlC基礎上的。NiosII IDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的主要軟件開發工具。用戶可以在NiosII IDE中完成所有的軟件開發任務，如編輯、編譯、下載、調試和閃存編程。NiosII嵌入式系統的一個重要問題就是軟件代碼量的大小，這關系到存放代碼的存儲器件容量大小，因此控制和減小程序代碼量是降低系統成本的重要方法，必須首先從處理器的啟動順序開始研究。

1 NiosII處理器啟動順序和程序入口地址

NiosII處理器的啟動可采用兩種方式：自動初始化和用戶自定義初始化。ANSIC標準定義應用程序可以通過調用main()來開始執行。在調用main()之前，應用程序假定運行環境和所有的服務系統都被初始化并準備運行。初始化可以被硬件抽象層(HAL)系統庫自動執行。程序員不需要考慮系統的輸出設備以及如何初始化每一個外設，HAL會自動初始化整個系統。

另外，ANSIC標準也提供了一個可變的入口點程序，以避免自動初始化。ANSIC標準還定義程序員能手動初始化任何所用的硬件。alt_main()函數提供了一個獨立式的編程環境，能夠完全控制系統的初始化。獨立式編程環境可以使程序員手動編寫初始化系統的代碼。

HAL提供的系統初始化代碼按以下啟動順序運行：

①啟動指令和數據高速緩沖存儲器；

②配置堆棧；

③配置全局指針；

④通過鏈接器提供的_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_stan和_bss_end是開始和結束BSS的命令；

⑤如果當前系統沒有啟動下載器，就復制．rwdata、．rodata，或者剩下的部分到RAM；

⑥調用alt_main()。

如果不調用alt_main()函數，則系統默認運行步驟如下：

①調用ALT_OS_INIT()來執行任何操作系統所特有的初始化。如果HAL是在操作系統里運行的，那么初始化alt_fd_list_lock命令。它町以控制訪問HAL文件系統，初始化中斷控制器并執行中斷。

②調用alt_sys_init()函數，以初始化系統里所有的驅動裝置和軟件組成部分。

③重新設置C標準I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適的器件。

④調用main()。

⑤調用exit()。rnain()的返回代碼作為exit()的輸入。

在NiosII IDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現用戶的啟動順序，而且能夠選擇HAL的服務程序。如果應用程序需要一個alt_main()入口點程序，可以復制默認的執行作為開始點，根據要求來定制它。

alt_main()這個函數是不能返回的，其原型是：voidalt_main()。

使用獨立式編程環境會增加NiosII程序編寫的復雜性。獨立式編程環境的主要作用在于減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosII處理器的外設和驅動編寫都非常熟悉才行。

在NiosII IDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量的目的，比使用獨立式編程環境容易得多。

2 減小代碼量的方法

2．1 打開編譯器優化選項

在nios2-elf-gcc編譯器中使用“-O3”選項，代碼可以被最大限度地優化，包括代碼的大小和執行速度。需要注意的是，編譯器優化可能會帶來一些意想不到的結果。另外，必須在用戶工程和系統庫中都使用-O3選項，如圖l所示。

2．2 使用小封裝的驅動庫

HAL為處理器的外沒提供了兩種驅動庫：一種是執行速度快，但代碼量大的版本；另一種是小封裝版本。默認情況下，HAL系統使用是代碼量大的版本，可以選擇Reduced device drivers選項來選擇小封裝版本，從而減小代碼量，如圖2所示。

2．3 使用新的C語言庫

完整的ANSTC標準庫通常不適用于嵌入式系統，HAL提供了一系列經過裁減的新的ANSI C標準庫，占用非常小的代碼量?？梢赃x擇Small C library選項來選擇新的ANSI C標準庫，如圖3所示。

2．4 去掉不使用的驅動庫

當NiosIl系統中有外設時，NiosII IDE認為這些設備需要驅動，因此在HAL系統中加入了相應的驅動庫。如果在用戶的程序中并不需要使用到這些外設，也可以在初始化時不加載這些驅動庫。

當用戶的程序并沒有使用到NiosII系統中某些設備(如SPI通信接口)時，應在系統中將這些設備完全移除。這樣，既可以減小軟件代碼量，又可以減少占用的FPGA資源。最常見的一個例子就是系統中的F1ash存儲芯片。在用戶程序中通常不會對Flash芯片進行寫操作，因此不需要加載Flash驅動庫，可以在工程屬性的preprocessor選項中加入“-DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系統不將Flash芯片驅動加入系統庫中。

2．5 使用_exit()函數

在默認情況下，HAL系統會調用exit()函數作為用戶程序的結束。exit()函數主要完成兩部分工作：清除所有C語言庫中的I／O緩存；調用在atexit()函數中的所有函數。實際上，相當于main()函數中return語句在執行之前必須要完成的工作。

而在嵌入式系統中用戶程序是不會退出main()函數的，所以exit()這段代碼是多余的，可以去掉。在用戶程序中可以用_exit()來代替exit()，_exit()程序不執行任何操作且無需對用戶程序做改動，只需在工程屬性的pre-processor選項中加入“-Dexit=_exit”。

3 總 結

通過上述方法，對一個簡單的helloworld程序進行代碼量優化。程序如下：

程序代碼量優化

在未進行任何優化之前，編譯完成后代碼量為68 KB：在經過上述優化方法編譯之后，代碼量變為7044字節。由此可見，上述優化方法十分有效，代碼量減小為原來的1/10，在NosII嵌入式系統中有重要的實用價值。