VxWorks在AT91RM9200上的BSP設(shè)計
關(guān)鍵詞 VxWorks BSP 映像 ARM AT91RM9200
VxWorks是美國Wind River公司開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有高性能、可裁減性好等特點，能支持多種微處理器(如PowerPC、X85、ARM、SPARC)；自問世以來，以其良好的町靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用于通信、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。BSP(Board Support Package，板級支持包)的作用是針對特殊的硬件平臺，為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供操作接口，使操作系統(tǒng)能夠獨立于底層硬件。對上層應(yīng)用屏蔽具體硬件，VxWorks的高可移植性就是通過BSP實現(xiàn)的。AT91RM9200是Atmel公司生產(chǎn)的一款A(yù)RM9核芯片，本文重點介紹將VxWorks移植到該芯片過程中BSP的定制過程。
1 BSP概念
BSP通常是指針對具體的硬件平臺，用戶所編寫的啟動代碼和部分設(shè)備驅(qū)動程序的集合。它所實現(xiàn)的功能包括初始化和驅(qū)動部分設(shè)備。最基本的BSP僅需要支持處理器復(fù)位、初始化、驅(qū)動串口和必要的時鐘處理。BSP是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對應(yīng)不同形式的BSP，因此，在寫B(tài)SP時一定要按照要求的操作系統(tǒng)對BSP的定義形式來寫。在VxWorks系統(tǒng)中，BSP是介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個軟件接口，它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標機硬件和VxWorks，并提供部分硬件驅(qū)動程序。BSP在VxWorks系統(tǒng)中的層次關(guān)系如圖1所示。
BSP為各種板卡的硬件功能提供了統(tǒng)一的軟件接口，包括硬件初始化、中斷的捕捉和處理、硬件時鐘和定時器管理、內(nèi)存地址映射，以及內(nèi)存分配等。每個BSP還包括一個ROM啟動或其他啟動機制。
2 VxWorks的引導(dǎo)過程
在編寫B(tài)SP之前，首先要了解整個系統(tǒng)的啟動過程。VxWorks的映像由代碼段、數(shù)據(jù)段和BSS段3部分組成。VxWotks內(nèi)核可以分為3種：可加載類型映像、基于ROM的VxWorks映像和RoM駐留型映像。這3種類型的映像組織是不一樣的，因此啟動過程有所區(qū)別。
可加載映像包括VxWorks和Boot ROM兩部分內(nèi)容，兩部分是獨立創(chuàng)建的。首先，由系統(tǒng)引導(dǎo)代碼把ROM引導(dǎo)程序搬到RAM_HIGH_ADRS。然后，ROM引導(dǎo)程序開始運行，將VxWorks映像加載到RAM_LOW_ADRS，之后跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像裝入點。
基于ROM的VxWorks映像在BSP初始化時，會把lmage完全搬到RAM中執(zhí)行，包括代碼段和數(shù)據(jù)段。在拷貝執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)移給RAM中VxWorks映像的初始化代碼。
ROM駐留型映像只是將ROM中VxWorks映像的數(shù)據(jù)段和BSS段拷貝到RAM中，完成后系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)移給ROM／Flash里VxWorks映像的初始化代碼，代碼段留在ROM中并在ROM中運行。在ROM中運行的VxWorks映像主要足為了節(jié)省RAM空間，帶來的不利則是運行速度慢。
圖2和圖3分別是下載型和ROM型VxWorks映像的初始化流程。
下面以ROM型VxWorks內(nèi)核啟動流程為例，說明各文件的作用：
romlnit()保存啟動類型，屏蔽中斷；初始化內(nèi)存和寄存器，屏蔽Cache；初始化CPU，將堆棧指針定位于被拷貝Boot ROM映像在RAM的地址；跳到romStart()。
roraStart()根據(jù)不同的映像類型將VxWorks映像的不同部分解壓縮<如果需要)并加載到RAM中。
usrInit() 對VxWorks映像的BSS段清零；調(diào)用intVecBaseSet()設(shè)置中斷矢量基地址表；調(diào)用excVecInit()初始化異常中斷矢量；調(diào)用sysHwInit()初始化系統(tǒng)硬件；調(diào)用usrKernelInit()初始化wind內(nèi)核；調(diào)用kernellnit()啟動wind內(nèi)核，啟動usrRoot()任務(wù)。
usrRoot()設(shè)置操作系統(tǒng)時鐘，創(chuàng)建設(shè)備，安裝驅(qū)動，調(diào)用sysHwInit2()安裝系統(tǒng)時鐘和輔助時鐘中斷以及串口等設(shè)備的中斷，初始化I／O、文件系統(tǒng)、調(diào)用應(yīng)用程序。
3 VxWorks在AT91RM9200上的BSP設(shè)計
3.1 AT91RM9200簡介
AT91RM9200的片上資源包括：ARM920T處理器棱、16KB的內(nèi)部SRAM和128KB的內(nèi)部ROM存儲器；支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和CompactFlash、SmartMedia以及NANDFlash的無縫連接；16KB的數(shù)據(jù)Cache，16KB的指令Cache，完全可編程的外部總線接口EBI，4個32位的PIO控制器可以達到122個可編程I／O引腳(每個都有輸入控制、可中斷及開路的輸出能力)；帶有8個優(yōu)先級、可單獨屏蔽中斷源的先進中斷控制器、6組硬件定時器、4個通用同步／異步收發(fā)器USART。
3．2 BSP中幾個重要文件的修改
由于AT91RM9200的內(nèi)核是ARM920T，所以BSP文件主要在VxWorks編澤環(huán)境Tornado的目錄target／config／all和target／config／integrator920t文件夾里。其中，a11文件夾里的文件對于絕大多數(shù)BSP都是共用的，一般來說不需要修改，特別是“configAll．h”；integrator920t文件夾里的文件就是所要編寫的BSP文件，這些文件往往與系統(tǒng)硬件密切相關(guān)。
3.2.1 修改Makeflie
Makefile文件定義編譯和鏈接整個BSP的規(guī)則，如編譯工具的選擇、編譯選項和包含文件路徑等；控制生成VxWorks映像文件的類型，同時含有存儲區(qū)大小的信息，對于存儲區(qū)大小信息的改動必須與Config．h的對應(yīng)改動同步。有些參數(shù)需在該文件中定義，如處理器類型、編譯工具、目標地址等。下面介紹一些須修改的參數(shù)和地址：
3.2.2 修改Config.h
Config．h文件包含了所有頭文件和與CPU相關(guān)的特殊定義。VxWorks內(nèi)核組件的配置由Config．h文件定義。Config．h中的主要修改內(nèi)容有定義引導(dǎo)行和修改地址。
(1)定義引導(dǎo)行
其中，mac(O，0)為AT91RM9200芯片中的EMAC設(shè)備；host為主機名；VxWorks為要下載的文件名；h為主機IP地址；e為目標板IP地址；u為用戶名；pw為密碼；tn為目標板名稱。
(2)修改地址
該文件中的地址定義，如ROM_TEXT_ADRS、ROM_SIZE、RAM_LOW_ADR、SRAM_HIGH_SIZE等要與Makefik文件中的相關(guān)定義一致。本設(shè)計中代碼段存儲在連接ARM芯片外部片選CSO上的Flash里面，基地址為Oxl0000000，因此．定義如下：
VxWorks的缺省配置由configAll．h來確定。一般來說，缺省配置的設(shè)置與自行開發(fā)的硬件系統(tǒng)的配置不同，用戶可通過Cotlfig．h來改變?nèi)笔∨渲?。用戶須查看configAll.h，并在Config．h中將不需要的軟硬件配置和初始化去掉。例如，缺省配置中一般包含浮點處理器，而AT9lRM9200中沒有浮點寄存器，因此就要刪掉相關(guān)配置。
3.2.3 修改integrator920t.c
該文件中設(shè)置所有非可選的、與AT91RM9200芯片相關(guān)的信息，如各硬件相關(guān)寄存器的地址定義，設(shè)備寄存器中對應(yīng)位的定義，各硬件中斷矢量和中斷優(yōu)先級的定義，DBUG和USART的控制，網(wǎng)口的定義，系統(tǒng)時鐘和輔助時鐘參數(shù)設(shè)置等。VxWorks所要使用的目標板包含設(shè)備的驅(qū)動程序頭文什應(yīng)當包含在該文件的開始。該文件中的各項宏定義均是基于AT91RM9200芯片的，并根據(jù)具體要求定義。例如，電源管理控制器中用到兩個鎖相環(huán)PLLA和PLLB，對它們的部分參數(shù)設(shè)定代碼如下：
3 2．4 修改rornlnit.s
該文件包含引導(dǎo)ROM和基于ROM的VxWorks映像的入口初始化匯編代碼。入口點為romInit()函數(shù)，是系統(tǒng)加電啟動后首先執(zhí)行的代碼。主要功能是：保存啟動類型，使處理器復(fù)位；初始化Flash和SDRAM；設(shè)置MMU到已知狀態(tài)；指令Cache使能；初始化MMU控制寄存器(指令32位、數(shù)據(jù)32位、寫緩沖使能)；開漏寫緩沖，并且使指令和數(shù)據(jù)Cache都兀效；通過設(shè)置CPSR的IRQ禁止位、FIR禁止位和先進中斷控制器AIC中的中斷禁止寄存器來屏蔽中斷，跳轉(zhuǎn)到bootInit．c中的rom-Start()，同時傳遞啟動類型。其中，中斷屏蔽代碼如下：
在調(diào)試這段代碼時，由于串口和網(wǎng)口都沒有啟動，因此只能通過點燈程序來跟蹤程序的執(zhí)行情況，設(shè)置不同的LED亮來顯示程序執(zhí)行到哪一步。例如，如果要并行輸入／輸出口C的32位中的第15位亮，則可以編程為；
在編寫本文件時，需要注意的地方是：不要在該文件里進行過多的初始化操作，大部分硬件初始化操作在sysLib．c文件中的sysHwInit()函數(shù)中進行。
3.2.5 修改sysLib c
sysLib．c是BSP初始化的核心代碼。在這個文件中，必須復(fù)位所有的硬件，使其處于初始化狀態(tài)，保證后面開中斷后不會產(chǎn)生假中斷。這個文件包含了由目標機體系結(jié)構(gòu)決定的、與系統(tǒng)有關(guān)的C程序。這些C程序提供板級接口?；谶@些接口，VxWorks和應(yīng)用程序的構(gòu)造與系統(tǒng)無關(guān)。該文件的功能包括：定義了RRAM、SRAM、ROM、外部片選芯片的物理地址和虛擬地址；定義中斷優(yōu)先級寄存器中各個位對應(yīng)的優(yōu)先級；調(diào)用sysHwInit()初始化串口和網(wǎng)口，安裝IRQ/SVC中斷堆棧分配程序；總線中斷功能等。本文件中有兩個重要的函數(shù)：sysHwInit()和sysHwInit2()。sysHwInit()的代碼如下：
sysHwInit2()用來連接系統(tǒng)中斷，安裝ISR，進行其他配置。它在初始化系統(tǒng)時鐘時，由sysClkConnect()調(diào)用，主要用來初始化中斷庫和中斷驅(qū)動，安裝系統(tǒng)時鐘和輔助時鐘的中斷以及串口等設(shè)備的中斷。
4 編譯生成映像
系統(tǒng)定制完成后，有兩種編譯方式：一種是在Tornado下進行編譯，生成映像文件；另一種是直接用Make工具編譯，但要寫好腳本文件。裝載到目標板中的VxWorks映像取決于使用的下載方式，其中主要包括以下幾種：
①VxWorks。這是基于RAM的映像，VxWorks需要通過目標板上的引導(dǎo)程序從串口或網(wǎng)口把它下載到目標板的RAM中運行。在Tornado開發(fā)環(huán)境下，這是一個默認選項，主要用在調(diào)試階段。使用宿主機上的WindSh工具和符號表。
②VxWorks．st。這也是基于RAM的映像，需要通過引導(dǎo)ROM把VxWorks映像下載到目標機內(nèi)存中才能執(zhí)行。該對象文件內(nèi)置符號表。
③VxWorkS_rom。這是一個非壓縮、基于ROM的映像。在這個對象文件執(zhí)行前，先把自己拷貝到目標機RAM中。這種類型的映像通常在啟動階段速度比較慢，因為代碼在ROM中執(zhí)行，但執(zhí)行階段比ROM駐留型的映像要快。
④VxWorks．st_rom。這是基于ROM壓縮的VxWorks映像。它在執(zhí)行前先把自己解壓并拷貝到目標機RAM中執(zhí)行。
⑤VxWorks．res_rom。這是ROM駐留型的非壓縮VxWorks的映像。它在執(zhí)行前把數(shù)據(jù)段拷貝到目標機RAM中。這種類型的映像在啟動階段比較快，但在目標機上執(zhí)行的速度比基于ROM類型的映像慢(因為CPU訪問ROM比訪問RAM要慢)。通常在RAM空間比較小的目標機上使用這種類型的映像。
5 需要注意的問題
首先，應(yīng)該避免在romInit．s中進行過多的初始化操作。該史件中只是進行必要的最小硬件初始化，大部分硬件的初始化都是在sysHwInit()中完成的。另外，romTnit．s中的代碼不應(yīng)當被其他模塊或函數(shù)調(diào)用。
其次，應(yīng)該避免sysAlib．s中工作太少。BSP開發(fā)人員通常錯誤地認為在romInit．s里初始化過的設(shè)備不需要在sysAlib．s中重新初始化。實際上，VxWorks映像并不認為它是由引導(dǎo)映像程序引導(dǎo)的，因此，它必須重新設(shè)置和初始化所有它自己需要使用的設(shè)備。sysInit()是該文件中最主要的一個函數(shù)，也是第一個函數(shù)。該例程中很多工作與romInit()是相同的，目的是保證內(nèi)核映像在運行與冷啟動時，軟硬件環(huán)境高度一致。
最后，對特定的BSF。驅(qū)動程序的修改，只能在特定的BSP目錄下。此設(shè)計中目錄為target/config／integra-tor920t，不要直接在target／src／drv以及target／h/drv中修改。只有風河公司的源程序才能存放在這些目錄下。
6 結(jié)論
本文在介紹BSP的概念、作用和vxWorks映像分類以及系統(tǒng)啟動流程的基礎(chǔ)上，以Atmel公司生產(chǎn)的ARM9處理器AT91RM9200為例，重點介紹了VxWorks的BSP設(shè)計中需要修改的幾個重要文件，最后提出了需要注意的問題。盡管目標板硬件不同，BSP的實現(xiàn)也不盡相同，但基本思想是一樣的。本設(shè)計對各類開發(fā)板的系統(tǒng)移植和后續(xù)的應(yīng)用程序開發(fā)有一定的參考價值。
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