如何構建eCos嵌入式系統(tǒng)

摘要 eCos是一個優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)。eCos的體系結構是一種分層結構，硬件抽象層將操作系統(tǒng)與硬件隔離開，這為把eCos移植到不同的硬件平臺提供了便捷的方法，抽象層就像軟件與硬件之間的橋梁。主要的移植思想是，按照eCos的模塊化設計，完成硬件抽象層。關鍵詞 eCos 移植 硬件抽象層 嵌入式 可配置操作系統(tǒng) 引言 　　目前，嵌入式操作系統(tǒng)的種類較多，其中比較流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。這些嵌入式操作系統(tǒng)在開放性、實用性以及性能等方面各有千秋，但大多數為商用產品。除了商用產品外，還有一些免費的嵌入式操作系統(tǒng)，uClinux是其中比較流行的，而eCos則是另一個選擇。嵌入式可配置操作系統(tǒng)eCos(Embedded Configureable Operating System)的特點是可配置性、可裁減性、可移植性和實時性。它的一個主要技術特色就是功能強大的配置系統(tǒng)，可以在源碼級實現對系統(tǒng)的配置和裁減。與 Linux的配置和裁減相比，eCos的配置方法更清晰、更方便;且系統(tǒng)層次也比Linux清晰明了，移植和增加驅動模塊更加容易。正是由于這些特性，eCos引起了越來越多的關注，同時也吸引越來越多的廠家使用eCos開發(fā)其新一代嵌入式產品。 　　eCos現在由Red Hat維護，可支持的處理器包括：ARM、StrongARM、XScale、SuperH、Intel X86、PowerPC、MIPS、AM3X、 Motorola 68/Coldfire、SPARC、Hitachi H8/300H和NEC V850等。源代碼及開發(fā)工具可在Red Hat的網站上免費下載，網頁地址是http:/sources.redhat.com/ecos。 1 eCos的層次結構 　　eCos采用模塊化設計，由不同的功能組件構成，eCos系統(tǒng)的層次結構如圖1所示。 　　這種層次結構的最底層是硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer)，簡稱為HAL，它負責對目標系統(tǒng)硬件平臺進行操作和控制，包括對中斷和例外的處理，為上層軟件提供硬件操作接口。只需提供新硬件的抽象層，就可以將整個eCos系統(tǒng)包括基于eCos的應用移植到新的硬件平臺上。 2 構建eCos系統(tǒng)　 　　構建eCos系統(tǒng)首先要搭建自己的硬件抽象層，然后創(chuàng)建驅動程序，之后就可以編制應用程序了。 3 硬件抽象層的移植 　　硬件抽象層分為三個不同的子模塊：體系結構抽象層(Architecture HAL)、變體抽象層(Variant HAL)和平臺抽象層(Platform HAL)。 　　體系結構抽象層。eCos所支持的不同處理器系列具有不同的體系結構，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等。體系結構抽象層對CPU的基本結構進行抽象和定義，此外它還包括中斷的交付處理、上下文切換、CPU啟動以及該類處理器結構的指令系統(tǒng)等。 　　變體抽象層指的是處理器在該處理器系列中所具有的特殊性，這些特殊性包括Cache、MMU、FPU等。eCos的變體抽象層就是對這些特殊性進行抽象和封裝。

圖1 　　平臺抽象層是對當前系統(tǒng)的硬件平臺進行抽象，包括平臺的啟動、芯片選擇和配置、定時設備、I/O寄存器訪問以及中斷寄存器等。 　　硬件抽象層的這三個子模塊之間沒有明顯的界線。對于不同的目標平臺，這種區(qū)分具有一定的模糊性。例如，MMU和Cache可能在某個平臺上屬于體系結構抽象層，而在另一個平臺上則可能屬于變體抽象層的范圍;再比如，內存和中斷控制器可能是一種片內設備而屬于變體抽象層，也可能是片外設備而屬于平臺抽象層。 　　eCos的移植通過這三個子模塊來完成，即平臺抽象層的移植、變體抽象層的移植和體系結構抽象層的移植。對一個新的體系結構來說，其系統(tǒng)結構抽象層的建立相對來說比較困難。eCos支持大部分當前廣泛使用的嵌入式CPU，已具有了支持各種體系結構的硬件抽象層。因此，eCos的移植很少需要進行體系結構抽象層的編寫。 4 平臺抽象層的移植 　　一般來說，進行eCos開發(fā)時，移植的主要工作在于平臺抽象層，這是由于eCos已實現了絕大多數流行嵌入式CPU的體系結構抽象層和變體抽象層。平臺抽象層主要完成的工作包括：內存的布局、平臺早期初始化、中斷控制器以及簡單串口驅動程序等。 　　構建一個新的平臺系統(tǒng)，最簡單的方法是利用eCos源碼提供的具有相同體系結構和CPU型號的參考平臺硬件抽象層，將其作為模板，復制并修改所有與新平臺相關的文件。若eCos沒有這樣的平臺，則可用另一種體系結構或CPU型號的類似硬件抽象層作為模板。比如，eCos提供了以三星公司ARM CPU S3C4510b為核心的平臺SNDS4110，當需要移植eCos到ARM CPU S3C44B0上時，這將是一個很好的起點。 　　 移植工作最好是從RedBoot開始，實現的第一個目標是使RedBoot運行在新平臺上。RedBoot是eCos自帶的啟動代碼，它比eCos要簡單，沒有使用中斷和線程機制，但包含了大部分最基本的功能。 　　 建立目標平臺的RedBoot通常按以下步驟進行(以構建S3C44b0的新平臺為例)。 　　 ① 復制eCos源碼中選定的參考平臺，根據需要對目錄及文件更名。更名的主要內容有：新平臺的目錄名、組件定義文件(CDL)、內存布局文件(MLT)、平臺初始化的源文件和頭文件　　 ② 調整組件定義文件(CDL)選項。包括選項的名字、實時時鐘/計數器、CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 變量、串口參數以及其他的一些選項?！　?③ 在頂層ecos.db文件中加入所需要的包，并增加對目標平臺的描述。在最初，該目標平臺的入口可以只包含硬件抽象層包，其他硬件支持包以后再加入。經過修改后，就可在eCos配置程序中選擇新的平臺進行配置?！　? ④ 修改include/pkgconf中的內存布局(MLT)文件。按照新的硬件平臺內存布局修改MLT文件。MLT文件對應每種啟動類型有三個不同后綴的文件：.h文件以及.ldi文件和mlt文件。手工修改時只需修改.h文件和.ldi文件，并保證兩個文件同步修改。修改的主要內容有ROM的起始地址、 ROM的大小、RAM的起始地址和RAM的大小。　　 ⑤ 修改平臺的io宏定義。在include/plt_io.h文件中完成對平臺的各種IO宏定義，包括各種CPU的系統(tǒng)配置寄存器、內存配置寄存器、串口配置寄存器、LCD配置寄存器、以太網配置寄存器等的I/O地址?！　? ⑥ 修改平臺的Cache代碼。在include/hal_cache.h文件中修改有關Cache的宏定義。在開發(fā)初期，最好先將Cache關閉，等移植穩(wěn)定后再打開。　　 ⑦ 實現簡單的串口驅動程序。串口的初始化、接收和發(fā)送在src/hal_diag.c文件完成。主要的函數如下：　　cyg_hal_plf_serial_init_channel()，完成對某個串口的具體初始化工作;　　cyg_hal_plf_serial_putc()，從串口發(fā)送一個字符;　　cyg_hal_plf_serial_getc()，從串口接收一個字符;　　cyg_hal_plf_serial_getc_nonblock()，以無阻塞的方式接收一個字符，即緩沖區(qū)中無數據時立即返回;　　cyg_hal_plf_serial_isr()，串口中斷服務程序;　　cyg_hal_plf_serial_init()，調用cyg_hal_plf_serial_init_channel()函數初始化各串口，并向內核注冊串口中斷服務程序、串口的讀寫例程和配置例程。　　 ⑧ 修改或增加平臺初始化程序。平臺初始化在3個文件文件中完成：src/s3c44b0_misc.c、include /hal_platform_setup.h和include/hal_platform_ints.h?！　al_platform_ints.h完成系統(tǒng)的中斷宏定義。在不同的平臺中設備數量和類型不同，中斷的譯碼方式也不一致，需要根據具體情況作出調整?！　al_platform_setup.h主要完成系統(tǒng)硬件的初步配置，這里一般要在看門狗和中斷關閉后，配置系統(tǒng)時鐘頻率、ROM和RAM的初始化參數。　　s3c44b0_misc.c文件完成目標板的進一步初始化、中斷處理、延時例程和操作系統(tǒng)時鐘設置。 　　經過以上修改，底層的平臺抽象層就基本完成了，這時可用eCos的配置工具生成RedBoot進行測試。 　　RedBoot測試成功后，說明平臺已經能正確完成初始化操作，且串口驅動也能正常工作，接著要完成中斷和Cache等測試工作。可利用一些多線程的小程序測試，檢測時鐘配置是否正確，同時也檢測了中斷能否正常工作。 5 驅動程序設計 　　平臺抽象層完成后，接著要完成系統(tǒng)的設備驅動程序。eCos設備驅動程序的中斷模塊分為三個層次：中斷服務程序ISR、中斷滯后服務程序DSR和中斷線程。ISR在響應中斷時立即調用，DSR由ISR發(fā)出調用請求后調用，而中斷線程為驅動程序的客戶程序。 　　硬件中斷在最短的時間內交付給ISR處理。硬件抽象層對硬件中斷源進行譯碼并調用對應的中斷ISR。ISR可以對硬件進行簡單的操作，應使ISR的處理時間盡量短。當ISR返回時，它可將自己的中斷滯后服務程序DSR放入操作系統(tǒng)的任務調度中，DSR可以在不妨礙調度器正常工作時安全運行。大多數情況下，DSR將在ISR執(zhí)行完成后立即運行。 　　eCos設備驅動程序一般可分為三個部分，如圖2所示。

圖2 　　eCos的所用設備驅動程序都使用設備表入口來描述。使用宏DEVTAB_ENTRY()可生成設備表入口。其格式為： 　　DEVTAB_ENTRY(l, name, dep_name, handlers, init, lookup, priv)。 　　l：設備表入口的“C”標識符。　　name：該設備的“C”字符串名字，在搜索設備時用到。　　dep_name：對于一個層次設備，此參數是該設備下層設備的“C”字符串名字?！　andlers：I/O函數句柄指針，由宏DEVIO_TABLE實現的?！　nit：當eCos處于初始化階段時被調用的函數，該函數可以進行查找設備，對硬件進行設置等操作?！　ookup：當調用cyg_io_lookup()函數對該設備進行操作時調用的函數?！　riv：該設備驅動程序所需的專用數據?！　≡O備入口中的句柄handlers包含了一組設備驅動程序接口函數，是設備函數表DEVIO_TAB的指針，DEVIO_TAB包含了一組函數的指針。設備I/O函數表通過DEVIO_TAB宏來定義，格式如下：　　DEVIO_TABLE(l, write, read, get_config, set_config)?！　：改表的“C”標識符，即在DEVTAB_ENTRY中的handlers。　　write：實現向設備傳送數據?！　ead：實現從設備讀取數據?！　et_config：實現讀取設備配置信息?！　et_config：實現對設備的配置操作?！　≡趀Cos的初始化引導過程中，對系統(tǒng)中的所有設備調用其相應的init()函數(即DEVTAB_ENTRY宏注冊的初始化函數)，所有對設備的I/O操作通過handlers完成?！　≡O備驅動程序包含如下內容(xxx：表示某種設備)。 　　◆ 用宏定義DEVIO_TABLE設備I/O函數表。 DEVIO_TABLE(xxx_handlers, // I/O函數句柄指針　　　　　　xxx_write, // 寫函數　　　　　　xxx_read, // 讀函數　　　　　　xxx_get_config, // 讀配置　　　　　　xxx_set_config)// 設置配置　　◆ 用宏定義DEVTAB_ENTRY注冊設備入口。 DEVTAB_ENTRY(xxx_device, // 設備入口名　　　　　　“/dev/xxx”, // 設備名，查找設備時用到　　　　　　NULL,// 需用到的底層驅動，這里為空　　　　　　xxx_handles, // I/O函數句柄指針　　　　　　xxx_init, // 設備初始化函數　　　　　　xxx_lookup, // 設備搜索　　　　　　xxx_priv)// 設備專用數據指針　　◆ 完成初始化函數xxx_init。完成對硬件的初始化，調用函數cyg_drv_interrupt_create建立中斷對象，然后調用函數cyg_drv_interrupt_attach完成中斷與硬件向量的連接?！　　? 完成中斷服務程序?！　　?完成中斷滯后服務程序?！　　?若有中斷線程，則完成中斷線程。　　◆ 完成設備搜索函數xxx_lookup?！　　? 完成寫函數xxx_write。　　◆ 完成讀函數xxx_read。　　◆ 完成讀配置函數x xx_get_config?！　　? 完成設置配置函數xxx_set_config。 結論 　　經過硬件平臺的移植和驅動程序的編寫，就可在此基礎上開發(fā)各種應用程序了。 　　eCos具有非常優(yōu)秀的可移植性;使用多任務搶占機制，具有最小的中斷延遲;支持嵌入式系統(tǒng)所需的所有同步原語，提供包括設備驅動程序、內存管理、例外處理、標準C和數學庫;提供各種開發(fā)嵌入式應用所需的工具，是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的強有力工具。 參考文獻 1 eCos User?s Guide. Red Hat Inc. %26;amp; eCosCentric Ltd, 2003 2 eCos Tutorial. Red Hat Inc, 2002 3 eCos Reference Manual. Red Hat Inc %26;amp; eCosCentric Ltd, 2003 4 Bart Veer, John Dallaway. The eCos Component Writer?s Guide. Red Hat Inc, 2003 5 Antony J. Massa, Embedded Software Development with eCos. Prentice Hall PTR, 2002