開發(fā)RTEMS實時系統(tǒng)的板級支持包

一個優(yōu)秀的RTOS(Real-Time Operating system)不但要擁有一個高可靠、多任務的實時內核，還應具有可剪裁和可移植的能力。RTEMS(the Real - Time Executivefor Multiprocessor Systems)[1]就是這樣的系統(tǒng)，它提供的環(huán)境可以滿足高性能的嵌入式多任務實時應用。目前，RTEMS支持的CPU系列有：A29k、ARM、 H8300、1386、1960、M68k、MIPS、PPC和SPARC等。 板級支持包BSP(Board Support Package)是嵌入式實時系統(tǒng)的基礎部分，也是實現(xiàn)系統(tǒng)可移植性的關鍵。它負責上電時的硬件初始化、啟動嵌入式操作系統(tǒng)或應用程序模塊、提供底層硬件驅動，為上層軟件提供訪問底層硬件的手段。BSP針對目標板設計，其結構和功能隨目標板的不同而呈現(xiàn)較大的差異。在將嵌入式系統(tǒng)移植到一種新的CPU時，必須提供相應的板級支持包。 本文參考SPARC微處理器ERC32的BSP，主要討論RTEMS的BSP開發(fā)過程。 1 RTEMS體系結構 RTEMS采用微內核基礎上的層次化結構，如圖l所示。這種結構只把那些絕對必需的系統(tǒng)功能置于內核之中(如中斷管理、上下文切換、內存訪問管理、時間管理、線程及線程間的通信與同步管理等)，而把那些并非必需的系統(tǒng)功能(如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡、遠程過程調用等)置于微內核之上在用戶模式下運行。

RTEMS的板級支持包是啟動代碼、連接器腳本和編譯規(guī)范文件(specs)和設備驅動程序的集合[2]，它們針對不同目標機的硬件環(huán)境剪裁RTEMS。 2 RTEMS啟動過程 處理器加電或復位時，基于RTEMS的應用程序初始化或者重新初始化[3]。BSP中的啟動代碼負責為RTEMS應用程序建立運行環(huán)境。 RTEMS啟動過程的順序如下： ① 執(zhí)行BSP中的啟動代碼; ② 調用rtems_initialize_executive; ③ 局部和全局應用程序的初始化。 處理器復位時，首先執(zhí)行BSP的啟動代碼。BSP必須將所有的硬件初始化為一個靜止狀態(tài)，然后操作系統(tǒng)才能初始化。 rtems_initialize_executive指令不返回啟動代碼，它將導致最高優(yōu)先級的初始化任務開始執(zhí)行。初始化任務用于完成局部或全局依賴于RTEMS的應用程序初始化。 3 BSP開發(fā)過程 下面以SPARC微處理器ERC32為例，說明RTEMSBSP的開發(fā)步驟： ①建立開發(fā)環(huán)境。開發(fā)模式采用宿主機/目標機模式。宿主機運行環(huán)境采用Linux系統(tǒng)，目標機為ERC32。宿主機和目標機通過串口連接。交叉開發(fā)工具采用添加了RTEMS補丁的GNU工具鏈(GCC，GDB，Newlib，binary utilities)。 ② 選擇BSP模板。通常是根據(jù)操作系統(tǒng)提供的BSP模板，選擇與應用硬件環(huán)境最為相似的參考設計，針對具體的目標機對參考BSP進行必要的修改和增刪，以形成自己的BSP。選擇一個適當?shù)腂SP模板可以達到事半功倍的效果。 ③建立新bsp目錄。將模板BSP整個目錄拷貝到適當?shù)哪夸浵?如libbsp/)，重命名為mybsp。 ④ 建立bsp配置文件?？截惾我庖粋€BSP.cfg，重命名為mybsp.cfg，修改相關的體系結構定義，如：RTEMS_CPU_MODEL，RTEMS_BSP，CPU_CFLAGS和制定make_exe規(guī)則。 ⑤修改makefile文件。對mybsp-bsp中每一個Makefile.in文件，運行acpolish，并檢查運行的結果，例如： cd /mybsp - bsp/some_subdir /path_to_SACOS/t00ls/update/acpolishMakefile.new 再次運行acpolish： /path_to_SACOS/tools/update/acpolishMakefile.in 將Makefile.new和Makefile.in進行比較。如果不相同，則重新編輯Makefile.new，多次運行acpolish，直到連續(xù)兩次產(chǎn)生的Makefile.in相同。 ⑥ 修改啟動代碼。建立自陷表、基本的CPU初始化、設置中斷堆棧等。 ⑦ 配置RTEMS。設置RTEMS相關全局變量和常量、RTEMS配置表、CPU依賴信息表、系統(tǒng)初始化任務表，以及用戶初始化任務表等，除完成相關的系統(tǒng)功能之外，提供板上外設的設備驅動程序。 ⑧調試和測試。建立RTEMS執(zhí)行映像，利用串口下載可執(zhí)行映像到目標機，測試BSP的正確性。 3.1 啟動代碼實現(xiàn) BSP的啟動代碼主要包含在五個文件中。它們是Start.s、boardinit.S、bootcard.c、bspstart.C和main.C。 Start.s包含了用于硬件初始化的匯編語言代碼，它是RTEMS的引導ROM入口。入口點SYM(start)是目標機上電后執(zhí)行的第一段程序。 SYM(start)的工作是完成將控制轉移到C程序boot_card()所需要的最少的設置，如初始化堆棧和禁止外部中斷等。它的具體操作包括： ①定義自陷表。這個自陷表是SPARC V7體系共有的，可從參考BSP中復制。 ②初始化處理器。 a)初始化自陷基地址寄存器TBR，即將自陷表地址寫入TBR; b)初始化處理器狀態(tài)寄存器PSR，設置系統(tǒng)為最高優(yōu)先級運行模式，禁止所有可屏蔽中斷; c)設置窗口無效寄存器WIM; d)初始化堆棧，設置堆棧指針。 ③調用SYM(_bsp_board_init)(在boardinit.S中定義，這些代碼是目標板專用的)，初始化MEC系統(tǒng)寄存器，初始化定時器。 ④將已初始化數(shù)據(jù)從ROM拷貝到RAM，未初始化內存清零。 ⑤初始化環(huán)境變量和參數(shù)，調用C程序boot_card()。 boot_card()完成RTEMS的基本配置，如設置RTEMS配置表、CPU依賴信息表的相關入口等。它調用bsp_start()完成目標板特定的系統(tǒng)配置，調用內核初始化函數(shù)完成RTEMS系統(tǒng)的初始化。boot_card()的具體操作包括： ①定義和聲明RTEMS全局變量。 extern rtems_configuration_table Configuration; extern rtems_.configuration_.table BSP_Configuration; extern rtems_cpu_table Cpu_table; rtems_api_configuration_table BSP_RTEMS_Configura-tion; rtems_interrupt_level bsp_isr_level; ②初始化CPU依賴信息表的所有人口為缺省值，除了下列兩項，其余都為NULL。 Cpu_table.do_zero_of_workspace =TRUE; Cpu_table.interrupt_stack_size =RTEMS_MINIMUM_STACK_SIZE; ③ 調用bsp_start()，根據(jù)目標機環(huán)境重新配置RTEMS，為系統(tǒng)初始化任務建立標準C支持環(huán)境。 ④ 調用內核初始化函數(shù)rtems_initialize_executive_ early()，初始化RTEMS和設備驅動程序。 ⑤調用c_rtems_main()，創(chuàng)建并啟動多任務，運行用戶應用程序，直到調用rtems_shutdown_executive()退出 RTEMS，才將控制返回BSP。 bsp_start()根據(jù)目標機環(huán)境重新配置RTEMS，為調用操作系統(tǒng)初始化函數(shù)準備一個合適的軟硬件環(huán)境。它的具體操作是： ①定義RTEMS全局變量。 unsigned char*work_space_start; rtems_configuration_table BSP_Configuration; rtems_cpu_table Cpu_table; ②修改CPU依賴信息表，為RTEMS系統(tǒng)初始化任務建立支持環(huán)境。 /*在執(zhí)行系統(tǒng)初始化任務之前，設置存堆的開始地址和大小，建立C支持庫*/ Cpu_table.pretasking_hook=bsp_pretasking_hook; /*在驅動程序初始化之后注冊設備名，打開標準輸人、標準輸出和標準錯誤文件*/ Cpu_table.postdriver_hook=bsp_postdriver_hook; Cpu_table.do_zero_of_workspace=TRUE; /*設置中斷堆棧的大小(16*1024)*/ Cpu_table.interrupt_stack_size=ONFIGURE_INTER-RUPT_STACK_MEMORY; ③檢查并設置工作區(qū)起始地址。 BSP_Configuration.work_space_start=work_space_start; ④設置時鐘嘀嗒頻率。 CPU_SPARC_CLICKS_PER_TICK=BSP_Configuration.microseconds_per_tick; ⑤結束返回boot_card()。 圖2描述了RTEMS系統(tǒng)初始化函數(shù)之間的調用關系。

3.2設備驅動程序實現(xiàn) 設備驅動程序的工作方式有輪詢和中斷兩種。無論采用哪一種方式，設備驅動程序的基本流程都是相同的。下面以時鐘設備驅動程序為例，簡單說明編寫RTEMS設備驅動程序的基本框架。 ①聲明和定義常量和全局變量。 /*關于時鐘設備的常量參數(shù)*/ volatile rtems_unsigned32 Clock_driver_ticks; extern int CLOCK_SPEED; extern rtems_unsigned32 CPU_SPARC_CLICKS_PER_TICK; /*定義時鐘驅動程序入口數(shù)據(jù)結構并初始化*/ #define CLOCK_DRIVER_TABLE_ENTRY{Clock_initialize，NULL，NULL，NULL，NULL，Clock_contr01} ②獲取接口參數(shù)。 rtems_device_major_number rtems_clock_major=～O; rtems_device_minor_number rtems_clock_minor ③提供接口函數(shù)。 /*時鐘驅動程序初始化入口*/ rtems_device_driver Clock_initialize() { /*安裝時鐘中斷向量，設置時鐘計數(shù)器和標度器的預設值;保存時鐘設備接口參數(shù)，以備系統(tǒng)使用*/ }; /*時鐘滴答中斷處理程序*/ rtems_isr Clock_isr() { /*時鐘設備的計數(shù)器和標度器設值為周期運行模式*/ }; /*時鐘設備控制入口*/ nems—deviceLdriver Clock_control() { //設置時鐘滴答中斷處理方式 }; /*關閉時鐘設備*/ void Clock_exit() { //屏蔽時鐘滴答，停止時鐘計數(shù) }; ④啟動時鐘設備。 3.3 修改鏈接器命令腳本 鏈接器命令腳本為鏈接器提供鏈接的規(guī)則，對鏈接過程進行顯式地控制.修改鏈接器腳本，配置系統(tǒng)可用內存區(qū)域和定義可執(zhí)行映像各個程序段在內存中的位置，如加載程序時代碼段(.text)從RAM地址。開始放置. /*缺省值，可以修改*/ _PR()M_SIZE=2M; _RAM_SIZE=4M; _RAM_START_0x02000000; _PROM-START=0x00000000; /*最終可執(zhí)行程序段的內存位置*/ SECTI()NS { .txt ： { text_start=.; *(.text) .=ALIGN(16); }>RAM 4 建立RTEMS可執(zhí)行映像 BSP開發(fā)完成之后，與RTEMS的其他代碼,如CPU依賴層、超核、API以及標準應用程序模塊等，經(jīng)由交叉編譯工具編譯連接之后，生成可以加載到目標機的RTEMS執(zhí)行映像，如圖3所示。

結 語 BSP的開發(fā)對于嵌入式系統(tǒng)的移植具有重要意義.本文以SPARC體系微處理器ERC32為例，討論了RTEMS BSP的功能及其開發(fā)過程.實踐證明，在BSP的開發(fā)過程中,①選擇一個適當?shù)腂SP模板，②深刻理解模板BSP中的相關概念。這兩點相當重要。因為，選擇一個相近的BSP模板可大大減少工作量和復雜度.縮短移植周期;而深刻理解相關概念有助于根據(jù)具體目標硬件環(huán)境對模板BSP進行正確修改，達到預期目的。