構(gòu)建eCos嵌入式系統(tǒng)的步驟教程

eCos 是一個優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)。 eCos 的體系結(jié)構(gòu)是一種分層結(jié)構(gòu)，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(shè)計，完成硬件抽象層。

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(shù)為商用產(chǎn)品。除了商用產(chǎn)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(shù)特色就是功能強大的配置系統(tǒng)，可以在源碼級實現(xiàn)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(qū)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(guān)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(chǎn)品。

eCos 現(xiàn)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(wǎng)站上免費下載，網(wǎng)頁地址是 http:/sources.redhat.com/ecos 。

1 、 eCos 的層次結(jié)構(gòu)

eCos 采用模塊化設(shè)計，由不同的功能組件構(gòu)成， eCos 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

這種層次結(jié)構(gòu)的最底層是硬件抽象層（ Hardware Abstraction Layer ），簡稱為 HAL ，它負責(zé)對目標(biāo)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(yīng)用移植到新的硬件平臺上。

2 、構(gòu)建 eCos 系統(tǒng)

構(gòu)建 eCos 系統(tǒng)首先要搭建自己的硬件抽象層，然后創(chuàng)建驅(qū)動程序，之后就可以編制應(yīng)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(jié)構(gòu)抽象層（ Architecture HAL ）、變體抽象層（ Variant HAL ）和平臺抽象層（ Platform HAL ）。

體系結(jié)構(gòu)抽象層。 eCos 所支持的不同處理器系列具有不同的體系結(jié)構(gòu)，如 ARM 系列、 PowerPC 系列、 MIPS 系列等。體系結(jié)構(gòu)抽象層對 CPU 的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。

平臺抽象層是對當(dāng)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(shè)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(nèi)存和中斷控制器可能是一種片內(nèi)設(shè)備而屬于變體抽象層，也可能是片外設(shè)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(jié)構(gòu)抽象層的移植。對一個新的體系結(jié)構(gòu)來說，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象層的建立相對來說比較困難。 eCos 支持大部分當(dāng)前廣泛使用的嵌入式 CPU ，已具有了支持各種體系結(jié)構(gòu)的硬件抽象層。因此， eCos 的移植很少需要進行體系結(jié)構(gòu)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(xiàn)了絕大多數(shù)流行嵌入式 CPU 的體系結(jié)構(gòu)抽象層和變體抽象層。平臺抽象層主要完成的工作包括：內(nèi)存的布局、平臺早期初始化、中斷控制器以及簡單串口驅(qū)動程序等。

構(gòu)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(jié)構(gòu)和 CPU 型號的參考平臺硬件抽象層，將其作為模板，復(fù)制并修改所有與新平臺相關(guān)的文件。若 eCos 沒有這樣的平臺，則可用另一種體系結(jié)構(gòu)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 S 3C 4510b 為核心的平臺 SNDS4110 ，當(dāng)需要移植 eCos 到 ARM CPU S 3C 44B0 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(xiàn)的第一個目標(biāo)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(biāo)平臺的RedBoot通常按以下步驟進行（以構(gòu)建 S3C44b0 的新平臺為例）。

① 復(fù)制 eCos 源碼中選定的參考平臺，根據(jù)需要對目錄及文件更名。更名的主要內(nèi)容有：新平臺的目錄名、組件定義文件（ CDL ）、內(nèi)存布局文件（ MLT ）、平臺初始化的源文件和頭文件。

② 調(diào)整組件定義文件（ CDL ）選項。包括選項的名字、實時時鐘 / 計數(shù)器、 CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 變量、串口參數(shù)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(biāo)平臺的描述。在最初，該目標(biāo)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(jīng)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(nèi)存布局（ MLT ）文件。按照新的硬件平臺內(nèi)存布局修改 MLT 文件。 MLT 文件對應(yīng)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(nèi)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(nèi)存配置寄存器、串口配置寄存器、 LCD 配置寄存器、以太網(wǎng)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(guān) Cache 的宏定義。在開發(fā)初期，最好先將 Cache 關(guān)閉，等移植穩(wěn)定后再打開。

⑦ 實現(xiàn)簡單的串口驅(qū)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(shù)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(shù)據(jù)時立即返回；

cyg_hal_plf_serial_isr（） ，串口中斷服務(wù)程序；

cyg_hal_plf_serial_init（） ，調(diào)用 cyg_hal_plf_serial_init_channel（） 函數(shù)初始化各串口，并向內(nèi)核注冊串口中斷服務(wù)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/s 3c 44b0_misc.c 、 include/hal_platform_setup.h 和 include/hal_platform_ints.h 。

hal_platform_ints.h 完成系統(tǒng)的中斷宏定義。在不同的平臺中設(shè)備數(shù)量和類型不同，中斷的譯碼方式也不一致，需要根據(jù)具體情況作出調(diào)整。

hal_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(guān)閉后，配置系統(tǒng)時鐘頻率、 ROM 和 RAM 的初始化參數(shù)。

s3c44b0_misc.c 文件完成目標(biāo)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(shè)置。

經(jīng)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(jīng)能正確完成初始化操作，且串口驅(qū)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(qū)動程序設(shè)計

平臺抽象層完成后，接著要完成系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序。 eCos 設(shè)備驅(qū)動程序的中斷模塊分為三個層次：中斷服務(wù)程序 ISR 、中斷滯后服務(wù)程序 DSR 和中斷線程。 ISR 在響應(yīng)中斷時立即調(diào)用， DSR 由 ISR 發(fā)出調(diào)用請求后調(diào)用，而中斷線程為驅(qū)動程序的客戶程序。

硬件中斷在最短的時間內(nèi)交付給ISR處理。硬件抽象層對硬件中斷源進行譯碼并調(diào)用對應(yīng)的中斷 ISR 。 ISR可以對硬件進行簡單的操作，應(yīng)使ISR的處理時間盡量短。當(dāng)ISR返回時，它可將自己的中斷滯后服務(wù)程序DSR放入操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度中， DSR可以在不妨礙調(diào)度器正常工作時安全運行。大多數(shù)情況下， DSR 將在ISR執(zhí)行完成后立即運行。