基于VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ARM9核芯片中實(shí)現(xiàn)BSP的定制過(guò)程

來(lái)源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者： 康靜;鄭建勇;袁濤;曾偉

VxWorks是美國(guó)Wind River公司開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有高性能、可裁減性好等特點(diǎn)，能支持多種微處理器（如PowerPC、X85、ARM、SPARC）；自問(wèn)世以來(lái)，以其良好的町靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用于通信、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。BSP（Board Support Package，板級(jí)支持包）的作用是針對(duì)特殊的硬件平臺(tái)，為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供操作接口，使操作系統(tǒng)能夠獨(dú)立于底層硬件。對(duì)上層應(yīng)用屏蔽具體硬件，VxWorks的高可移植性就是通過(guò)BSP實(shí)現(xiàn)的。AT91RM9200是Atmel公司生產(chǎn)的一款A(yù)RM9核芯片，本文重點(diǎn)介紹將VxWorks移植到該芯片過(guò)程中BSP的定制過(guò)程。

1 BSP概念

BSP通常是指針對(duì)具體的硬件平臺(tái)，用戶(hù)所編寫(xiě)的啟動(dòng)代碼和部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的集合。它所實(shí)現(xiàn)的功能包括初始化和驅(qū)動(dòng)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(dòng)串口和必要的時(shí)鐘處理。BSP是相對(duì)于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同形式的BSP，因此，在寫(xiě)B(tài)SP時(shí)一定要按照要求的操作系統(tǒng)對(duì)BSP的定義形式來(lái)寫(xiě)。在VxWorks系統(tǒng)中，BSP是介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個(gè)軟件接口，它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標(biāo)機(jī)硬件和VxWorks，并提供部分硬件驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘和定時(shí)器管理、內(nèi)存地址映射，以及內(nèi)存分配等。每個(gè)BSP還包括一個(gè)ROM啟動(dòng)或其他啟動(dòng)機(jī)制。

2 VxWorks的引導(dǎo)過(guò)程

在編寫(xiě)B(tài)SP之前，首先要了解整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)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(lèi)型映像、基于ROM的VxWorks映像和RoM駐留型映像。這3種類(lèi)型的映像組織是不一樣的，因此啟動(dòng)過(guò)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(dú)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(kāi)始運(yùn)行，將VxWorks映像加載到RAM_LOW_ADRS，之后跳轉(zhuǎn)到VxWorks映像裝入點(diǎn)。

基于ROM的VxWorks映像在BSP初始化時(shí)，會(huì)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(yùn)行。在ROM中運(yùn)行的VxWorks映像主要足為了節(jié)省RAM空間，帶來(lái)的不利則是運(yùn)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(dòng)流程為例，說(shuō)明各文件的作用：

romlnit（）保存啟動(dòng)類(lèi)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(lèi)型將VxWorks映像的不同部分解壓縮

3 VxWorks在AT91RM9200上的BSP設(shè)計(jì)

3.1 AT91RM9200簡(jiǎn)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(chǔ)器；支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和CompactFlash、SmartMedia以及NANDFlash的無(wú)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(xiàn)接口EBI，4個(gè)32位的PIO控制器可以達(dá)到122個(gè)可編程I／O引腳（每個(gè)都有輸入控制、可中斷及開(kāi)路的輸出能力）；帶有8個(gè)優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽中斷源的先進(jìn)中斷控制器、6組硬件定時(shí)器、4個(gè)通用同步／異步收發(fā)器USART。

3．2 BSP中幾個(gè)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(duì)于絕大多數(shù)BSP都是共用的，一般來(lái)說(shuō)不需要修改，特別是“configAll．h”；integrator920t文件夾里的文件就是所要編寫(xiě)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(gè)BSP的規(guī)則，如編譯工具的選擇、編譯選項(xiàng)和包含文件路徑等；控制生成VxWorks映像文件的類(lèi)型，同時(shí)含有存儲(chǔ)區(qū)大小的信息，對(duì)于存儲(chǔ)區(qū)大小信息的改動(dòng)必須與Config．h的對(duì)應(yīng)改動(dòng)同步。有些參數(shù)需在該文件中定義，如處理器類(lèi)型、編譯工具、目標(biāo)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(jī)名；VxWorks為要下載的文件名；h為主機(jī)IP地址；e為目標(biāo)板IP地址；u為用戶(hù)名；pw為密碼；tn為目標(biāo)板名稱(chēng)。

（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(jì)中代碼段存儲(chǔ)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(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，缺省配置的設(shè)置與自行開(kāi)發(fā)的硬件系統(tǒng)的配置不同，用戶(hù)可通過(guò)Cotlfig．h來(lái)改變?nèi)笔∨渲?。用?hù)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(diǎn)處理器，而AT9lRM9200中沒(méi)有浮點(diǎn)寄存器，因此就要?jiǎng)h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(duì)應(yīng)位的定義，各硬件中斷矢量和中斷優(yōu)先級(jí)的定義，DBUG和USART的控制，網(wǎng)口的定義，系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助時(shí)鐘參數(shù)設(shè)置等。VxWorks所要使用的目標(biāo)板包含設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序頭文什應(yīng)當(dāng)包含在該文件的開(kāi)始。該文件中的各項(xiàng)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(gè)鎖相環(huán)PLLA和PLLB，對(duì)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(diǎn)為romInit（）函數(shù)，是系統(tǒng)加電啟動(dòng)后首先執(zhí)行的代碼。主要功能是：保存啟動(dòng)類(lèi)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(xiě)緩沖使能）；開(kāi)漏寫(xiě)緩沖，并且使指令和數(shù)據(jù)Cache都兀效；通過(guò)設(shè)置CPSR的IRQ禁止位、FIR禁止位和先進(jìn)中斷控制器AIC中的中斷禁止寄存器來(lái)屏蔽中斷，跳轉(zhuǎn)到bootInit．c中的rom-Start（），同時(shí)傳遞啟動(dòng)類(lèi)型。其中，中斷屏蔽代碼如下：

在調(diào)試這段代碼時(shí)，由于串口和網(wǎng)口都沒(méi)有啟動(dòng)，因此只能通過(guò)點(diǎn)燈程序來(lái)跟蹤程序的執(zhí)行情況，設(shè)置不同的LED亮來(lái)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(xiě)本文件時(shí)，需要注意的地方是：不要在該文件里進(jìn)行過(guò)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(jìn)行。

3.2.5 修改sysLib c

sysLib．c是BSP初始化的核心代碼。在這個(gè)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(kāi)中斷后不會(huì)產(chǎn)生假中斷。這個(gè)文件包含了由目標(biāo)機(jī)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(jí)接口?；谶@些接口，VxWorks和應(yīng)用程序的構(gòu)造與系統(tǒng)無(wú)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(jí)寄存器中各個(gè)位對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)；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(xiàn)中斷功能等。本文件中有兩個(gè)重要的函數(shù)：sysHwInit（）和sysHwInit2（）。sysHwInit（）的代碼如下：

sysHwInit2（）用來(lái)連接系統(tǒng)中斷，安裝ISR，進(jìn)行其他配置。它在初始化系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，由sysClkConnect（）調(diào)用，主要用來(lái)初始化中斷庫(kù)和中斷驅(qū)動(dòng)，安裝系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助時(shí)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(jìn)行編譯，生成映像文件；另一種是直接用Make工具編譯，但要寫(xiě)好腳本文件。裝載到目標(biāo)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(guò)目標(biāo)板上的引導(dǎo)程序從串口或網(wǎng)口把它下載到目標(biāo)板的RAM中運(yùn)行。在Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境下，這是一個(gè)默認(rèn)選項(xiàng)，主要用在調(diào)試階段。使用宿主機(jī)上的WindSh工具和符號(hào)表。

②VxWorks．st。這也是基于RAM的映像，需要通過(guò)引導(dǎo)ROM把VxWorks映像下載到目標(biāo)機(jī)內(nèi)存中才能執(zhí)行。該對(duì)象文件內(nèi)置符號(hào)表。

③VxWorkS_rom。這是一個(gè)非壓縮、基于ROM的映像。在這個(gè)對(duì)象文件執(zhí)行前，先把自己拷貝到目標(biāo)機(jī)RAM中。這種類(lèi)型的映像通常在啟動(dòng)階段速度比較慢，因?yàn)榇a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(biāo)機(jī)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(biāo)機(jī)RAM中。這種類(lèi)型的映像在啟動(dòng)階段比較快，但在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的速度比基于ROM類(lèi)型的映像慢（因?yàn)镃PU訪問(wèn)ROM比訪問(wèn)RAM要慢）。通常在RAM空間比較小的目標(biāo)機(jī)上使用這種類(lèi)型的映像。

5 需要注意的問(wèn)題

首先，應(yīng)該避免在romInit．s中進(jìn)行過(guò)多的初始化操作。該史件中只是進(jìn)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(dāng)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(kāi)發(fā)人員通常錯(cuò)誤地認(rèn)為在romInit．s里初始化過(guò)的設(shè)備不需要在sysAlib．s中重新初始化。實(shí)際上，VxWorks映像并不認(rèn)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(gè)函數(shù)，也是第一個(gè)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(yùn)行與冷啟動(dòng)時(shí)，軟硬件環(huán)境高度一致。

最后，對(duì)特定的BSF。驅(qū)動(dòng)程序的修改，只能在特定的BSP目錄下。此設(shè)計(jì)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(fēng)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(lèi)以及系統(tǒng)啟動(dòng)流程的基礎(chǔ)上，以Atmel公司生產(chǎn)的ARM9處理器AT91RM9200為例，重點(diǎn)介紹了VxWorks的BSP設(shè)計(jì)中需要修改的幾個(gè)重要文件，最后提出了需要注意的問(wèn)題。盡管目標(biāo)板硬件不同，BSP的實(shí)現(xiàn)也不盡相同，但基本思想是一樣的。本設(shè)計(jì)對(duì)各類(lèi)開(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)移植和后續(xù)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。

責(zé)任編輯：gt