基于Windows CE操作系統(tǒng)實現(xiàn)OAL層的功能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計

Windows CE是微軟針對嵌入式領(lǐng)域推出的一款全新的操作系統(tǒng)。之所以說它是一款全新的操作系統(tǒng)，是因為盡管Windows CE的UI非常接近其它的桌面版Windows操作系統(tǒng)，但是它的內(nèi)核完全是重新寫的，并不是任何一款桌面版Windows的精簡版本。 Windows CE是一種支持多種CPU架構(gòu)的操作系統(tǒng)，這其中包括ARM、x86、MIPS和SHx，極大地減輕了0EM開發(fā)過程中移植操作系統(tǒng)的工作量。

操作系統(tǒng)移植包含兩個層面上的工作：一個層面是CPU級的，另一個層面是板級的。CPU級的移植通常由微軟或芯片制造商來完成；板級移植則是由OEM來完成的。0AL正是0EM完成這一系統(tǒng)移植的工作核心！

1 OAL

OAL的全稱是OEM Adaption Layer，即原始設(shè)備制造商適配層。從邏輯結(jié)構(gòu)上看，它位于操作系統(tǒng)的內(nèi)核與硬件之間，是連接系統(tǒng)與硬件的樞紐；從功能上看，OAL頗似桌面機上的BIOS，具有初始化設(shè)備、引導(dǎo)操作系統(tǒng)以及抽象硬件功能等作用。與B10S不同的是，0AL隸屬于操作系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的一部分。從存在方式上，講OAL是一組函數(shù)的集合體，這些函數(shù)體現(xiàn)出0AL的功能，如圖1所示。

2 最小化的OAL

OAL層的首要任務(wù)是加載內(nèi)核。OAL層中為內(nèi)核的啟動作種種鋪墊的函數(shù)的集合構(gòu)成最小OAL層。我們可以由此深入0AL層，如圖2所示。

首先來看一下OS的啟動順序。

①CPU執(zhí)行引導(dǎo)向量，跳轉(zhuǎn)到硬件初始化代碼，即Startup函數(shù)；

②在start up函數(shù)完成最小硬件環(huán)境初始化后跳轉(zhuǎn)到KernelStart函數(shù)（當(dāng)CPU為x86架構(gòu)時為Kernel Initial-ize函數(shù)），來對內(nèi)核進行初始化；

③Kernelstart函數(shù)調(diào)用OEMInitDebugSerial完成對調(diào)試串口的初始化，調(diào)用0EMInit函數(shù)來完成硬件初始化工作以及設(shè)置時鐘、中斷，調(diào)用OEMGetExtensionDRAM函數(shù)來判斷是否還有另外一塊DRAM。

至此，內(nèi)核加載完畢。由此可見，OS啟動的重中之重是Startup函數(shù)的正確加載。

2.1 Startup

Startup階段的特點是Kernel還沒有加載起來，調(diào)試工作比較困難。StartuP函數(shù)的兩大核心任務(wù)分別是把CPU初始化到一已知狀態(tài)和調(diào)用內(nèi)核初始化函數(shù)來初始化內(nèi)核。以下是Startup函數(shù)中通常包含的內(nèi)容：①把處理器置為監(jiān)控模式；②禁止CPU的IRQ和FIQ輸入：③禁止內(nèi)存管理單元MMU和指令、數(shù)據(jù)Cache；④刷新指令和數(shù)據(jù)Cache、TLB、清空寫buffr；⑤確定啟動的原因一hard reset，wake from sleep，GPIO reset，Watchdog reset，eboot handoff；⑥根據(jù)目標(biāo)板需要配置GPIO，比如連接LED的GPIO；⑦配置內(nèi)存管理器，設(shè)置刷新頻率，使能時鐘；⑧配置中斷控制器；⑨初始化實時時鐘（RTC）為0，使能實時時鐘：⑩設(shè)置電源管理寄存器；⑾打開所有板級時鐘和片內(nèi)外部時鐘；⑿取得OEMAddressTable的物理基地址并把它存在r0中；⒀跳轉(zhuǎn)到KernelStart。

Bootloader和OAL中均包含Startup函數(shù)。它的功能大致相同，都是要初始化最小硬件環(huán)境。Bootloader是在為自己的執(zhí)行準(zhǔn)備硬件環(huán)境，OAL則是為kernel的執(zhí)行準(zhǔn)備硬件環(huán)境。由于這兩種硬件環(huán)境要求基本相同，所以它們的代碼也有很大部分可以相互借鑒。但應(yīng)該明白，Bootloader與OAL在物理上是獨立的，它們并不是同一段代碼。而且，如果可以確定這一硬件部分Bootloader已經(jīng)初始化過，則在OAL中不必重復(fù)。當(dāng)然，前提是每次加載都要經(jīng)過Bootloader這一環(huán)節(jié)。最典型的例子就是x86 OAL中的Startup，見例程：

2.2 Kernel Start

Kernel Start主要完成內(nèi)核的最小初始化并且通過調(diào)用OEMInit函數(shù)來完成板級硬件初始化。以下是ARM內(nèi)核初始化過程：① 初始化一級頁表；②使能MMU和cache；③為每種工作模式使能棧（stack）； ④重新定位內(nèi)核；⑤執(zhí)行串口調(diào)試函數(shù)；⑥調(diào)用OEMInit；⑦初始化內(nèi)存；⑧執(zhí)行其它初始化。

KernelStart中用到的三個函數(shù)OEMInit （）、OEMInitDebugSerial（）和OEMGetExtensionDRAM（）中，OEMInit（）硬件相關(guān)性較大，也最重要。（1）OEMlnit（） 0EMInit的最小任務(wù)是初始化其它硬件和注冊系統(tǒng)時鐘。通常OEMInit應(yīng)該完成以下工作。①通過設(shè)置以下值來設(shè)置中斷映射表一SYSINTR→IRQ和IRQ→SYSINTR。②在中斷映射表中設(shè)置靜態(tài)中斷映射。③設(shè)置KITL，但在最小化的OAL層中通常不包括KITL。④用Init Clock配置系統(tǒng)定時器、實時時鐘、時鐘。⑤確定系統(tǒng)時鐘的中斷源。⑥初始化內(nèi)核時間粒度為1ms。⑦配置中斷控制器或可編程中斷控制器（PICS）。⑧提供調(diào)試用LED指示燈。⑨置pWriteDedugLED=OEMWriteDedugLED。⑩調(diào)用HookInterrupt函數(shù)來注冊中斷服務(wù)例程ISRs，以下示例說明如何處理TIMERISR硬件中斷5的中斷服務(wù)例程：

（2）串口調(diào)試函數(shù)

有限的調(diào)試手段是0S移植人員經(jīng)常遇到的難題。串口調(diào)試函數(shù)雖然不像以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)那樣功能強大，但仍然要比LED指示燈或數(shù)碼管要直觀得多，是調(diào)試OAL層代碼不可或缺的一組工具。這個函數(shù)組由四個函數(shù)組成，分別是0 E M I n i t D e b u g S e r i a l（）、OEMReadDebugByte（）、OEMWriteDebugByte（）和OEMWriteDebugString（）。

◇OEMInitDebugSerial（）用于配置串口；

◇OEMReadDebugByte0和OEMWriteDebugByte（）用于向串口讀寫一個字節(jié)；

◇OEMWriteDebugString（）用于向串口寫一個調(diào)試用字符串。

KernelStart中調(diào)用的是OEMInitDebugSerial（），完成串口初始化，為串口調(diào)試工作作好準(zhǔn)備。

（3）OEMGetExtensionDRAM（）

在最簡最小化OAL層函數(shù)中，OEMGetExtensionDRAM（）并不是一個必需的函數(shù)。OEMGetExtensionDRAM（）的主要功能是查詢是否存在另外一片DRAM．如果目標(biāo)板上只有一片DRAM，則該函數(shù)返回FALSE。但在KernelStart通常都包含此函數(shù)。至此，最小的OAL層已經(jīng)完畢，kernel的最基本的功能可以正常使用。骨架搭起，第一階段的任務(wù)告一段落，但是很多非常重要的功能還不完整，還不能做到物盡其用。于是需要進一步加強OAL層的功能。這種做法也是OAL層開發(fā)通常使用的方法。先完成基本功能，在基本功能確保正確無誤后，逐漸加入其它功能。循序漸進，即使出錯也很容易找到出錯的地方，便于排查。

3 加強OAL

第二階段主要目的是充分利用板上硬件資源和加強調(diào)試手段。主要包括中斷、KITL、以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)和OEMIOControl四方面內(nèi)容。我們把包含這四方面內(nèi)容的OAL層稱為加強OAL。

3.1 中 斷

外設(shè)硬件與CPU的數(shù)據(jù)交換基本上是異步進行的、最常用的中斷形式。CE的中斷處理順序如圖3所示。由圖3可知，CE的中斷實際上是由兩部分ISR和IST組成的。其中IST包含在驅(qū)動程序中，而ISR包含在OAL層中。所以，要想支持一個硬件，首先必須從0AL層為其作好準(zhǔn)備。這個準(zhǔn)備用兩步完成。

①創(chuàng)建中斷標(biāo)識符。下面代碼節(jié)選自SAMSUNG2410的oalintr.h。中斷映射表通常位于\Platform\\INC。#define SYSINTR USB （SYSlNTR FIRMWARE+11）#define SYSINTR USBD （SYSlNTR_FIRMWARE+12）

② 創(chuàng)建并注冊ISR。ISR的主要任務(wù)是返回中斷標(biāo)識符。ISR代碼通常位于\Platform\\KERNEL\HAL下。下面代碼節(jié)選自SAMSUNG2410的armint.c。

在中斷處理中，還有三個函數(shù)也起著至關(guān)重要的作用。它是OEMInterruptEnable（）、OEMInterruptDisable（）和OEMInterruptDone（）。

◇OEMInterruptEnable（）用于執(zhí)行允許設(shè)備產(chǎn)生中斷的硬件操作；

◇OEMInterruptDisable（）禁止設(shè)備發(fā)出中斷申請；

◇OEMInterruptDone（）中斷處理結(jié)束。

3.2 以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)

以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)與串口調(diào)試函數(shù)相比，具有更快的速度。

◇OEMEthInit 初始化以太網(wǎng)調(diào)試口；

◇OEMEthEnableInts開以太網(wǎng)適配器中斷；

◇OEMEthDisableInts關(guān)以太網(wǎng)適配器中斷；

◇OEMEthISR 以太網(wǎng)適配器中斷服務(wù)例程；

◇OEMEthGetFrame從以太網(wǎng)調(diào)試口收數(shù)據(jù)；

◇OEMEthSendFrame從以太網(wǎng)調(diào)試口發(fā)數(shù)據(jù)；

◇OEMEthQueryClientlnfo獲取平臺相關(guān)信息；

◇OEMEthGetSecs 返回從某一特定時間開始的計時值。本函數(shù)用于處理超時。

3.3 KITL

KITL全稱為Kernel Independent TransportLayer。它的主要用途是提供更方便的調(diào)試手段，如圖4所示。KITL出現(xiàn)在Windows CE．net之后，把軟件傳輸協(xié)議與硬件傳輸層隔離開。KITL使得開發(fā)者不必了解硬件傳輸層如何與軟件協(xié)議層接口。

以下是應(yīng)該在OEMInit函數(shù)中加入的KITL初始化代碼。

①初始化所有PCI橋和設(shè)備，枚舉它們并且給它們分配資源，然后使能，使他們能正常工作。注：此條適于有KITL網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）和NIC橋的情況。

② 對相關(guān)總線進行初始化，使得CPU能夠正確識別NIC。

③通過調(diào)用KitlInit函數(shù)來初始化KITL。這部分代碼可參照其它平臺，代碼文件為Halkitl.c。

④執(zhí)行0EMKitlInit函數(shù)，進行相關(guān)的硬件初始化工作。搜索是否存在KITL 網(wǎng)口、串口或并口連接。

⑤執(zhí)行完OEMKitlInit后，把Kitl.1ib和Kitleth.1ib包含入平臺資源文件\\Kernel\Buildexe\Kernkitl，以便把KITL打包進內(nèi)核。有關(guān)KITL的其它函數(shù)請參考微軟MSDN。

3.4 OEMIOControl

OEMIOContr01在OAL層是一個非常重要的函數(shù)，應(yīng)用程序是通過調(diào)用KernelIoContrOI來調(diào)用OEMl0Control的。內(nèi)核對許多硬件平臺信息的獲得都要通過對它的調(diào)用來實現(xiàn)。此外，0EMl0Contr0I還是用戶模式應(yīng)用代碼到內(nèi)核模式OAL代碼之間的轉(zhuǎn)換入口。這就是說，用在用戶模式下通過調(diào)用0EMl0Control可以獲得內(nèi)核模式的權(quán)力。0EMIOControl函數(shù)原型如下：

硬件資源利用和調(diào)試手段的加強大大豐富了OAL的功能，但是嵌入式系統(tǒng)通常會面臨的功耗問題和由于網(wǎng)絡(luò)功能的日益普及而帶來的安全性問題并沒有涉及到。

4 完整OAL

完整OAL是指在加強OAL的基礎(chǔ)上擴充了功耗和安全性驗證的OAL。所以這一階段的主要工作集中在電源管理與模塊認(rèn)證兩部分。

4.1 電源管理

OAL層的電源管理與驅(qū)動程序的電源管理頗為不同。一種設(shè)備驅(qū)動程序僅負責(zé)某種特定的設(shè)備，如果可能，則把這種設(shè)備置為省電模式，當(dāng)形勢需要時再把設(shè)備置為滿載荷模式。OAL層的電源管理則是負責(zé)整個系統(tǒng)功耗管理。例如，調(diào)度器在下一個25ms沒有線程要運行時，系統(tǒng)將被置為省電模式。

電源管理函數(shù)響應(yīng)關(guān)閉系統(tǒng)和使系統(tǒng)空閑的系統(tǒng)調(diào)用。這些系統(tǒng)調(diào)用可能是軟觸發(fā)也可能是硬觸發(fā)。以下兩個函數(shù)是須在OAL層中實現(xiàn)的電源管理函數(shù)：

◇0EMIdle一一把設(shè)備置為空閑狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)；

◇0EMPoweroff一一把設(shè)備置為斷電狀態(tài)；

◇OEMPowerOff和OEMIdle的程序代碼可在如下目錄中參照例程％_WINCER00T％\Platform\\Kerlael\Hal。

4.2 模塊認(rèn)證

自從Windows CE 3.0以來，在RAM中加載和運行模塊前，內(nèi)核可以對其進行授權(quán)核查。對于在ROM中運行的模塊則不需要此過程。模塊認(rèn)證實際上是在被加載的模塊后添加一數(shù)字簽名，只有當(dāng)系統(tǒng)用公開密鑰驗證數(shù)字簽名通過后，該模塊才可以被加載到RAM中運行。這樣系統(tǒng)可以阻止或限制一些模塊的運行，達到系統(tǒng)安全的目的。要達到以上目的須完成以下兩個函數(shù)：

◇OEMCertifyModuleInit，用于初始化驗證過程，每驗 證一個模塊調(diào)用一次；

◇OEMCertifyM0dule，用于驗證數(shù)字簽名。

為了支持這兩個函數(shù)，在OEMInit函數(shù)中須分配兩個全局變量pOEMLoadInit和p0EMLoadModule，用來存放這兩個函數(shù)的地址。

結(jié)語

Windows CE的OAL層是一個復(fù)雜的函數(shù)集。它的復(fù)雜性不但體現(xiàn)在包含函數(shù)數(shù)目繁多，而且體現(xiàn)在很多函數(shù)的硬件相關(guān)性非常大。本文并沒有詳細講解每個OAL層函數(shù)，而是就一些通常會遇到的OAL層函數(shù)進行層層劃分；在說明OAL層的功能和結(jié)構(gòu)的同時，提出開發(fā)OAL的一種方法和思路。

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