嵌入式系統(tǒng)U盤實(shí)時(shí)啟動(dòng)技術(shù)
引 言
隨著USB技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)盤在PC機(jī)系統(tǒng)上已得到廣泛的應(yīng)用，基本上取代了軟盤，PC機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從優(yōu)盤啟動(dòng)。由于優(yōu)盤性能穩(wěn)定，體積小巧，訪問速度快，因此它也非常適合作為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備。這為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的啟動(dòng)提供了一種嶄新的思路，即從優(yōu)盤啟動(dòng)。這種方法對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)板上的程序存儲(chǔ)空間要求不高，只要在Flash中存儲(chǔ)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的Bootrom程序即可，將系統(tǒng)的映像文件放在優(yōu)盤上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)從優(yōu)盤加載。
目前基于VxWorks設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的啟動(dòng)方式多種多樣，WindRiver公司提供的參考BSP(Board support Package)包中就提供了幾種啟動(dòng)方法。另外在參考文獻(xiàn)[2]中，作者也提出了幾種基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)方法。這些方法可根據(jù)具體的應(yīng)用需求，適當(dāng)選取。筆者在開發(fā)CableModem時(shí)也都曾實(shí)現(xiàn)過這些方法。這些方法存在的共同問題是：雖然能更新板載程序存儲(chǔ)器中的映像文件，但由于程序存儲(chǔ)器一旦設(shè)計(jì)后就無法再擴(kuò)展其存儲(chǔ)空間;而在實(shí)際應(yīng)用中，由于嵌入式系統(tǒng)功能的增強(qiáng)，系統(tǒng)映像文件的體積會(huì)不斷增大，會(huì)出現(xiàn)超過目標(biāo)板的程序存儲(chǔ)空間的問題，從而使得新的映像文件無法燒錄到目標(biāo)板中。
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)從優(yōu)盤啟動(dòng)的顯著優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：更新系統(tǒng)映象文件方便(替換優(yōu)盤中的影像文件即可，無需重新燒錄);啟動(dòng)快速(USB接口傳輸速度快)，可適用于多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(保存在優(yōu)盤中的映像文件也可以是使用其他嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如PSOS、Nuclues等開發(fā)生成的);對(duì)系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)容量要求小(Flash中主要存儲(chǔ)Bootrom程序，而系統(tǒng)映像文件保存在優(yōu)盤中)。
本文給出了實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)盤啟動(dòng)的嵌入式主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、軟件協(xié)議棧以及主要程序流程，探討了實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)從優(yōu)盤啟動(dòng)的可行性。
1 嵌入式USB主控制器的硬件結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)
嵌入式系統(tǒng)是軟硬件緊密結(jié)合的系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)從優(yōu)盤啟動(dòng)，硬件上必須在嵌入式微處理器外圍添加USBHOST主控制器;在軟件上必須設(shè)計(jì)主控制器驅(qū)動(dòng)程序 (HCD)、USB驅(qū)動(dòng)程序、USB Client驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。
1.1 嵌入式USB主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)
嵌入式USB主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，只是在嵌入式微處理器外部加上USB主控芯片即可。在本項(xiàng)目中，嵌入式微處理器采用的是Motorola公司的MPC860T，USB主控制芯片采用的是SL811HS芯片。SL81lHS芯片是Cypress公司生產(chǎn)的、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB控制芯片，芯片內(nèi)含USB主，主/從控制器，支持全速(full speed)/低速(low speed)數(shù)據(jù)傳輸，并能自動(dòng)識(shí)別全速或低速設(shè)備。SL811HS所提供的接口遵從USBl.1標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于SL811HS更詳細(xì)的使用方法請(qǐng)見參考文獻(xiàn)[3]。使用SL811HS作為嵌入式USB主機(jī)控制器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 嵌入式USB主機(jī)上的軟件結(jié)構(gòu)
從參考文獻(xiàn)[4]可知，嵌入式主機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)其USB外設(shè)操作，必須有圖2所示的3個(gè)軟件結(jié)構(gòu)層次：USB主控制器驅(qū)動(dòng)器(HCD)、USB主驅(qū)動(dòng)器(USBD)、USB沒備驅(qū)動(dòng)器。
在協(xié)議棧的最底部是USB主控制器USB HC(USBHost Controller)，這是主系統(tǒng)中控制每一個(gè)USB設(shè)備的硬件部分。口前主要有兩大類USB主控制器：一種是通用主控制器接口UHCI(Universal Host Controller Inter-face)，另一種是開放主控制器接口OHCI(Open HostController Interface)。硬件廠商一般根據(jù)這兩個(gè)規(guī)范設(shè)計(jì)USB主控制器。對(duì)于每一類型的主控制器都有一個(gè)與硬件獨(dú)立的USB主控制器驅(qū)動(dòng)器HCD(Host ControllerDriver)。WindRiver公司提供了兩類驅(qū)動(dòng)：usbHedUhciLib(UHCl主控制器庫)和usbHcdOhciLib(OHCI主控制器庫)。
USB主驅(qū)動(dòng)器USBD(USB host Driver)和HCD之間的接口允許一個(gè)或超過一個(gè)的底層主控制器，而且WindRiver公司的USBD能夠同時(shí)連接多個(gè)USB HCD。這樣的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以使開發(fā)者建立復(fù)雜的USB系統(tǒng)。USBD是在HCD之上的與硬件獨(dú)立的模塊。USBD管理每一個(gè)與主機(jī)相連的USBD設(shè)備，向更高層次提供了可與USBD設(shè)備通信的路徑。它還負(fù)責(zé)自動(dòng)處理USBD電力管理以及USBD帶寬管理;而且，USBD還管理USBHub。Hub能否正確工作，是對(duì)USBD進(jìn)行評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此WindRiver公司的USBD設(shè)計(jì)者要使USBD透明地實(shí)現(xiàn)Huh的功能。這意味著USBD還能處理USBHub和設(shè)備的動(dòng)態(tài)插拔。
USB客戶模塊在USBD主驅(qū)動(dòng)協(xié)議棧的頂端。USB類驅(qū)動(dòng)(USB Class Driver)是Client模塊的典型例子。USBD類驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)管理連接到USBD上的不同類型的設(shè)備，它們依靠USBD提供與每個(gè)設(shè)備的通信路徑。USBClient模塊的其他例子就是那些利用USBD與USB設(shè)備通信的應(yīng)用程序。
2 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)盤啟動(dòng)軟件程序設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)盤的操作，在基于VxWorks設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)的程序包括：USB主控制器驅(qū)動(dòng)器、USBD主驅(qū)動(dòng)器、USB塊存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)的安裝以及應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)讀寫優(yōu)盤設(shè)備程序等，如圖3所示。故要實(shí)現(xiàn)從優(yōu)盤啟動(dòng)，需要在bootConfig..c文件中的usrRoot函數(shù)巾添加4個(gè)函數(shù)。
(1)初始化USB主控制器的函數(shù)
初始化HCD(USB Host Controler Driver)函數(shù)，即初始化SL81lHS并將其連接到指定總線上：LOCAL int fn-cAttach(pHRB_ATTACH pHrb)。
該函數(shù)詞用SL811Init()初始化SL811控制芯片。執(zhí)行函數(shù)taskSpawn("tSl81lint"，0，0，0x4000，(FUNCPTR)intThread，(int)pHost，0，0，0，0，0，0。0，0，O)，創(chuàng)建intThread任務(wù)對(duì)發(fā)生的中斷作出處理。
這里的intTbaead調(diào)用OSS_SEM_TAKE(pHost->in-tPendi
ng，interval)阻塞，與中斷服務(wù)程序intHandle同步。
調(diào)用函數(shù)processSl811hInterrupt()處理硬件中斷，讀取中斷狀態(tài)寄存器判斷中斷類型。
調(diào)用UHC_INT_CONNECT(pHost，intHandler，pHost，&s)函數(shù)連接SL811主控制器芯片中斷。UHC_INT_CONNECT是一個(gè)宏定義。
函數(shù)intHandler完成對(duì)中斷的處理，調(diào)用函數(shù)OSS_SEM_GIVE(pHost->imPending)，釋放用于中斷和任務(wù)之間同步的二進(jìn)制信號(hào)量。
[!--empirenews.page--](2)初始化USBD的函數(shù)
函數(shù)usbdInitialize()初始化內(nèi)部USBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并依次調(diào)用其他USB驅(qū)動(dòng)棧模塊的入口。
函數(shù)usbdlnitialize()調(diào)用usbdHcdAttach(execFunc，&s1811IOCfg，pToken)把HCD連接到USBD上。這里的execFunc就是函數(shù)usbHcdSl811hExee()。
函數(shù)usbdInitialize()調(diào)用USBEnumerate(USBD_CLIENT_HANDLE clientHandle，F(xiàn)ILE*fout)列舉所有連接到系統(tǒng)上的USB主控制器、Hub和USB設(shè)備。
(3)初始化USB存儲(chǔ)設(shè)備的函數(shù)
函數(shù)usbBulkDevInit()完成USB盤的初始化并安裝DOS文件系統(tǒng)。
函數(shù)usbBulkDevlnit調(diào)用函數(shù)usbdClientRegister("BULK_CLASS"，&usbdHandle)及函數(shù)usbdDynamicAt-tachRegister(usbdHandle，USB_CLASS_MASS_STORAGE，USB_SUBCLASS_SCSLCOMMAND_SET，USB_INTERFACE_PROTOCOL_BULK_ONLY，usbBulkDc-vAttachCallback)，建立同USB的連接，注冊(cè)回調(diào)例程。
函數(shù)usbBulkDevlnit調(diào)用函數(shù)OSS_THREAI)_CRE-ATE(bulkClientThread，(pVOID) fout，OSS_PRIORITYINTERRUPT，"tBulkClnt"，&bulkTaskId)，創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，管理優(yōu)盤的插入和移出。
其中bulkCliemThread例程調(diào)用pBulkBlkDev=(BLK_DEV*)usbBulkBlkDevCreate (bulkNodeld，NULL，NULL，USB_SCSI_FLAG_READ_WRITEl0);安裝USB設(shè)備。 調(diào)用pBulkDosVol=dosFsDevInit("/ud0/"，pButkBlkDev，NULL);安裝DOS文件系統(tǒng)。
(4)從優(yōu)盤加載映像文件的函數(shù)
設(shè)計(jì)USBDLoad()，實(shí)現(xiàn)映像文件VxWorks從優(yōu)盤設(shè)備加載。USBDLoad()函數(shù)主要包括以下語句：
修改bootConfig.c文件中的bootLoad函數(shù)，加入對(duì)從優(yōu)盤啟動(dòng)的支持。主要加入以下語句：
重新編譯、鏈接生成新的bootrom.hex，燒錄到板子上的Flash中，將VxWorks映像文件拷貝到優(yōu)盤上，將優(yōu)盤插入到嵌入式主機(jī)的USB接口上。在啟動(dòng)的過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)裝載優(yōu)盤的VxWorks系統(tǒng)映像文件，實(shí)現(xiàn)基于VxWorks的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)優(yōu)盤啟動(dòng)。
3 總 結(jié)
在基于MPC860和VxWorks設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)驗(yàn)板上可實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)從優(yōu)盤的啟動(dòng)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中還可以將嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)保存到優(yōu)盤上，這樣能方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備和PC機(jī)設(shè)備資源的共享。
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