如何構(gòu)建eCos嵌入式系統(tǒng)

摘要 eCos是一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)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(kāi)，這為把eCos移植到不同的硬件平臺(tái)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(jì)，完成硬件抽象層。
關(guān)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(kāi)放性、實(shí)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(fèi)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(gè)選擇。嵌入式可配置操作系統(tǒng)eCos（Embedded Configureable Operating System）的特點(diǎn)是可配置性、可裁減性、可移植性和實(shí)時(shí)性。它的一個(gè)主要技術(shù)特色就是功能強(qiáng)大的配置系統(tǒng)，可以在源碼級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)模塊更加容易。正是由于這些特性，eCos引起了越來(lái)越多的關(guān)注，同時(shí)也吸引越來(lái)越多的廠家使用eCos開(kāi)發(fā)其新一代嵌入式產(chǎn)品。

　　eCos現(xiàn)在由Red Hat維護(hù)，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(kāi)發(fā)工具可在Red Hat的網(wǎng)站上免費(fèi)下載，網(wǎng)頁(yè)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(jì)，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(jiǎn)稱為HAL，它負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行操作和控制，包括對(duì)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(gè)eCos系統(tǒng)包括基于eCos的應(yīng)用移植到新的硬件平臺(tái)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(dòng)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(gè)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(tái)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(duì)CPU的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dòng)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(duì)這些特殊性進(jìn)行抽象和封裝。

圖1

　　平臺(tái)抽象層是對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的硬件平臺(tái)進(jìn)行抽象，包括平臺(tái)的啟動(dòng)、芯片選擇和配置、定時(shí)設(shè)備、I/O寄存器訪問(wèn)以及中斷寄存器等。

　　硬件抽象層的這三個(gè)子模塊之間沒(méi)有明顯的界線。對(duì)于不同的目標(biāo)平臺(tái)，這種區(qū)分具有一定的模糊性。例如，MMU和Cache可能在某個(gè)平臺(tái)上屬于體系結(jié)構(gòu)抽象層，而在另一個(gè)平臺(tái)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(tái)抽象層。

　　eCos的移植通過(guò)這三個(gè)子模塊來(lái)完成，即平臺(tái)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(duì)一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象層的建立相對(duì)來(lái)說(shuō)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(jìn)行體系結(jié)構(gòu)抽象層的編寫。

4  平臺(tái)抽象層的移植

　　一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行eCos開(kāi)發(fā)時(shí)，移植的主要工作在于平臺(tái)抽象層，這是由于eCos已實(shí)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(tái)抽象層主要完成的工作包括：內(nèi)存的布局、平臺(tái)早期初始化、中斷控制器以及簡(jiǎn)單串口驅(qū)動(dòng)程序等。

　　構(gòu)建一個(gè)新的平臺(tái)系統(tǒng)，最簡(jiǎn)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(hào)的參考平臺(tái)硬件抽象層，將其作為模板，復(fù)制并修改所有與新平臺(tái)相關(guān)的文件。若eCos沒(méi)有這樣的平臺(tái)，則可用另一種體系結(jié)構(gòu)或CPU型號(hào)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(tái)SNDS4110，當(dāng)需要移植eCos到ARM CPU S3C44B0上時(shí)，這將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

　　 移植工作最好是從RedBoot開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)目標(biāo)是使RedBoot運(yùn)行在新平臺(tái)上。RedBoot是eCos自帶的啟動(dòng)代碼，它比eCos要簡(jiǎn)單，沒(méi)有使用中斷和線程機(jī)制，但包含了大部分最基本的功能。

　　 建立目標(biāo)平臺(tái)的RedBoot通常按以下步驟進(jìn)行（以構(gòu)建S3C44b0的新平臺(tái)為例）。

　　 ①  復(fù)制eCos源碼中選定的參考平臺(tái)，根據(jù)需要對(duì)目錄及文件更名。更名的主要內(nèi)容有：新平臺(tái)的目錄名、組件定義文件（CDL）、內(nèi)存布局文件（MLT）、平臺(tái)初始化的源文件和頭文件
　　 ②  調(diào)整組件定義文件（CDL）選項(xiàng)。包括選項(xiàng)的名字、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器、CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 變量、串口參數(shù)以及其他的一些選項(xiàng)。
　　 ③  在頂層ecos.db文件中加入所需要的包，并增加對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的描述。在最初，該目標(biāo)平臺(tái)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(guò)修改后，就可在eCos配置程序中選擇新的平臺(tái)進(jìn)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(tái)內(nèi)存布局修改MLT文件。MLT文件對(duì)應(yīng)每種啟動(dòng)類型有三個(gè)不同后綴的文件：.h文件以及.ldi文件和mlt文件。手工修改時(shí)只需修改.h文件和.ldi文件，并保證兩個(gè)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(tái)的io宏定義。在include/plt_io.h文件中完成對(duì)平臺(tái)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(tái)的Cache代碼。在include/hal_cache.h文件中修改有關(guān)Cache的宏定義。在開(kāi)發(fā)初期，最好先將Cache關(guān)閉，等移植穩(wěn)定后再打開(kāi)。
　　 ⑦  實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的串口驅(qū)動(dòng)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(duì)某個(gè)串口的具體初始化工作；
　　cyg_hal_plf_serial_putc()，從串口發(fā)送一個(gè)字符；
　　cyg_hal_plf_serial_getc()，從串口接收一個(gè)字符；
　　cyg_hal_plf_serial_getc_nonblock()，以無(wú)阻塞的方式接收一個(gè)字符，即緩沖區(qū)中無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)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(tái)初始化程序。平臺(tái)初始化在3個(gè)文件文件中完成：src/s3c44b0_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(tái)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(shí)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(jìn)一步初始化、中斷處理、延時(shí)例程和操作系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置。

　　經(jīng)過(guò)以上修改，底層的平臺(tái)抽象層就基本完成了，這時(shí)可用eCos的配置工具生成RedBoot進(jìn)行測(cè)試。

　　RedBoot測(cè)試成功后，說(shuō)明平臺(tái)已經(jīng)能正確完成初始化操作，且串口驅(qū)動(dòng)也能正常工作，接著要完成中斷和Cache等測(cè)試工作?？衫靡恍┒嗑€程的小程序測(cè)試，檢測(cè)時(shí)鐘配置是否正確，同時(shí)也檢測(cè)了中斷能否正常工作。

5  驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　平臺(tái)抽象層完成后，接著要完成系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。eCos設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的中斷模塊分為三個(gè)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(shí)立即調(diào)用，DSR由ISR發(fā)出調(diào)用請(qǐng)求后調(diào)用，而中斷線程為驅(qū)動(dòng)程序的客戶程序。

　　硬件中斷在最短的時(shí)間內(nèi)交付給ISR處理。硬件抽象層對(duì)硬件中斷源進(jìn)行譯碼并調(diào)用對(duì)應(yīng)的中斷ISR。ISR可以對(duì)硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，應(yīng)使ISR的處理時(shí)間盡量短。當(dāng)ISR返回時(shí)，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(shí)安全運(yùn)行。大多數(shù)情況下，DSR將在ISR執(zhí)行完成后立即運(yùn)行。

　　eCos設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般可分為三個(gè)部分，如圖2所示。

圖2

　　eCos的所用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都使用設(shè)備表入口來(lái)描述。使用宏DEVTAB_ENTRY()可生成設(shè)備表入口。其格式為：

　　DEVTAB_ENTRY(l, name, dep_name, handlers, init, lookup, priv)。

　　l：設(shè)備表入口的“C”標(biāo)識(shí)符。
　　name：該設(shè)備的“C”字符串名字，在搜索設(shè)備時(shí)用到。
　　dep_name：對(duì)于一個(gè)層次設(shè)備，此參數(shù)是該設(shè)備下層設(shè)備的“C”字符串名字。
　　handlers：I/O函數(shù)句柄指針，由宏DEVIO_TABLE實(shí)現(xiàn)的。
　　init：當(dāng)eCos處于初始化階段時(shí)被調(diào)用的函數(shù)，該函數(shù)可以進(jìn)行查找設(shè)備，對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置等操作。
　　lookup：當(dāng)調(diào)用cyg_io_lookup()函數(shù)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)調(diào)用的函數(shù)。
　　priv：該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所需的專用數(shù)據(jù)。
　　設(shè)備入口中的句柄handlers包含了一組設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)，是設(shè)備函數(shù)表DEVIO_TAB的指針，DEVIO_TAB包含了一組函數(shù)的指針。設(shè)備I/O函數(shù)表通過(guò)DEVIO_TAB宏來(lái)定義，格式如下：
　　DEVIO_TABLE(l, write, read, get_config, set_config)。
　　l：改表的“C”標(biāo)識(shí)符，即在DEVTAB_ENTRY中的handlers。
　　write：實(shí)現(xiàn)向設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。
　　read：實(shí)現(xiàn)從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。
　　get_config：實(shí)現(xiàn)讀取設(shè)備配置信息。
　　set_config：實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的配置操作。
　　在eCos的初始化引導(dǎo)過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)中的所有設(shè)備調(diào)用其相應(yīng)的init()函數(shù)（即DEVTAB_ENTRY宏注冊(cè)的初始化函數(shù)），所有對(duì)設(shè)備的I/O操作通過(guò)handlers完成。
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包含如下內(nèi)容(xxx：表示某種設(shè)備)。

　　◆ 用宏定義DEVIO_TABLE設(shè)備I/O函數(shù)表。
DEVIO_TABLE(xxx_handlers, // I/O函數(shù)句柄指針
　　　　　　xxx_write, // 寫函數(shù)
　　　　　　xxx_read, // 讀函數(shù)
　　　　　　xxx_get_config, // 讀配置
　　　　　　xxx_set_config)// 設(shè)置配置
　　◆ 用宏定義DEVTAB_ENTRY注冊(cè)設(shè)備入口。
DEVTAB_ENTRY(xxx_device, // 設(shè)備入口名
　　　　　　“/dev/xxx”, // 設(shè)備名，查找設(shè)備時(shí)用到
　　　　　　NULL,// 需用到的底層驅(qū)動(dòng)，這里為空
　　　　　　xxx_handles, // I/O函數(shù)句柄指針
　　　　　　xxx_init, // 設(shè)備初始化函數(shù)
　　　　　　xxx_lookup, // 設(shè)備搜索
　　　　　　xxx_priv)// 設(shè)備專用數(shù)據(jù)指針
　　◆ 完成初始化函數(shù)xxx_init。完成對(duì)硬件的初始化，調(diào)用函數(shù)cyg_drv_interrupt_create建立中斷對(duì)象，然后調(diào)用函數(shù)cyg_drv_interrupt_attach完成中斷與硬件向量的連接。
　　◆ 完成中斷服務(wù)程序。
　　◆ 完成中斷滯后服務(wù)程序。
　　◆ 若有中斷線程，則完成中斷線程。
　　◆ 完成設(shè)備搜索函數(shù)xxx_lookup。
　　◆ 完成寫函數(shù)xxx_write。
　　◆ 完成讀函數(shù)xxx_read。
　　◆ 完成讀配置函數(shù)x xx_get_config。
　　◆ 完成設(shè)置配置函數(shù)xxx_set_config。

結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)硬件平臺(tái)的移植和驅(qū)動(dòng)程序的編寫，就可在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序了。

　　eCos具有非常優(yōu)秀的可移植性；使用多任務(wù)搶占機(jī)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(yǔ)，提供包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)存管理、例外處理、標(biāo)準(zhǔn)C和數(shù)學(xué)庫(kù)；提供各種開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用所需的工具，是開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具。

參考文獻(xiàn)

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5  Antony J. Massa, Embedded Software Development with eCos. Prentice Hall PTR, 2002