摘  要：結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，針對(duì)486目標(biāo)機(jī)上VxWorks的定制，運(yùn)用其BSP技術(shù)解決了移植過(guò)程中底層硬件與上層軟件無(wú)關(guān)性的問(wèn)題。描述了BSP的概念和啟動(dòng)流程，介紹了BSP設(shè)計(jì)過(guò)程，并結(jié)合實(shí)際工程給出了486目標(biāo)機(jī)下VxWorks的定制及應(yīng)用程序加載方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng); VxWorks; Tornado; 板級(jí)支持包; 映像

VxWorks是由美國(guó)Wind River 公司推出的一種強(qiáng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。它采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有高可靠性、實(shí)時(shí)性、可裁減性等特點(diǎn)，而且支持多種CPU。VxWorks的一個(gè)重要特點(diǎn)是它的可移植性，應(yīng)用程序編碼在很大程度上與目標(biāo)板的硬件和結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。它把所有特定的硬件功能都集成在一個(gè)稱之為板級(jí)支持包BSP（Board Support Package）的庫(kù)中。

目前為止Wind River公司提供的基于某一CPU 評(píng)估板的BSP 超過(guò)200個(gè)，當(dāng)用戶開發(fā)自己目標(biāo)板的BSP時(shí)，比較簡(jiǎn)單的方法是從所提供的BSP中選一個(gè)最接近的來(lái)修改。這里提到的BSP的設(shè)計(jì)就是指這種板級(jí)的對(duì)依賴于硬件的源代碼做必要的修改、增加或刪除，以滿足特定的硬件環(huán)境。

1  BSP的概念

BSP(Board Support Package,——板級(jí)支持包)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，這源于嵌入式操作系統(tǒng)與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)思想。如今的各種嵌入式系統(tǒng),都采用了分層的設(shè)計(jì)方法。它將系統(tǒng)中與硬件直接相關(guān)的一層軟件獨(dú)立出來(lái),稱之為板級(jí)支持包(BSP)。這里BSP的主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及硬件驅(qū)動(dòng)，具體功能包括：

(1)目標(biāo)板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個(gè)系統(tǒng)提供底層硬件支持；

(2)為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；

(3)定制操作系統(tǒng)的功能，為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境；

(4)初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備；無(wú)線SOC開發(fā)平臺(tái)499元 S3C44B0 ARM7開發(fā)板378元 S3C2410 ARM9開發(fā)板780元 AT91SAM7S64 ARM7 單片機(jī)開發(fā)板之王——ELITE-I單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)1200元 S3C2410 ARM9開發(fā)板(II) 950元 EPM1270T144C CPLD開發(fā)板  480元
2  BSP文件組成及功能

BSP中包括源代碼、頭文件、MAKE文件、派生文件以及二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)程序模塊。在VxWorks 中硬件驅(qū)動(dòng)程序分為通用性和BSP專用性兩類。在開發(fā)BSP時(shí)，既要對(duì)BSP專用的驅(qū)動(dòng)程序提供支持，還要將通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序集成在一起。因此，編寫的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可根據(jù)具體情況放在BSP中的合適位置。

BSP文件在 VxWorks /target /config /all和VxWorks /target /config / bspname文件夾里。其中，all文件夾里的文件是所有BSP的通用文件，bspname文件夾的文件是用戶自己定制的BSP文件^[1]。經(jīng)過(guò)編譯、鏈接，并在makefile和depend.bspname等文件的控制下，原程序最后將生成鏡像。BSP的組成及主要文件功能如下。

(1)Tornado\target\config\all\目錄下的文件。包括bootConfig.c，bootInit.c，usrConfig.c等，它們是所有BSP共享的，主要是缺省定義了所有VxWorks配置以及Boot Rom的初始化控制代碼，所以不是特別需要不要更改里面的任何文件。

(2)Tornado\target\config\bspname\目錄下的文件。包括makefile，depend.bspname，config.h，bspname.h，romInit.s，sysALib.s，sysLib.c，sysSerial.c等，其中config.h中包含特定CPU板的所有包含文件和定義。

VxWorks支持多種處理器平臺(tái)，用戶可以針對(duì)不同的目標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)修改這些文件來(lái)完成BSP與 VxWorks在不同平臺(tái)上的移植。

3  Vxworks映像分類及其啟動(dòng)過(guò)程

3.1 VxWorks映像及其分類

VxWorks在啟動(dòng)過(guò)程中涉及到兩個(gè)映像文件：bootrom映像和VxWorks映像。這兩個(gè)映像文件都要使用BSP代碼。bootrom文件是從ROM引導(dǎo)VxWorks的引導(dǎo)目標(biāo)模塊，用于對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行初始化，加載VxWorks操作系統(tǒng)映像。VxWorks image包含VxWorks OS，最終運(yùn)行于目標(biāo)板上。VxWorks映像按加載類型可分為：可下載映像和可引導(dǎo)映像；按運(yùn)行方式分為在ROM中和在RAM中兩種。

可下載映像（Loadable Image），它實(shí)際包括兩部分，一是VxWorks，二是boot ROM，兩部分是獨(dú)立創(chuàng)建的。可引導(dǎo)映像(Bootable Image)是將引導(dǎo)程序和VxWorks融為一體的映像，一般為最終產(chǎn)品，包括不駐留ROM的映像和駐留ROM的映像兩種類型^[2]。

VxWorks在ROM中運(yùn)行，只要把VxWorks image的data段復(fù)制到RAM的RAM-LOW-ADRS，text部分留在ROM并在ROM執(zhí)行。在ROM中運(yùn)行VxWorks可以節(jié)省RAM空間，有利于應(yīng)用程序有更大的空間運(yùn)行，但是運(yùn)行速度相對(duì)較慢。VxWorks在RAM中運(yùn)行，寫入ROM中的boot或VxWorks image是壓縮的，需先解壓并復(fù)制所有的text或data到RAM的RAM-LOW-ADRS,在RAM中運(yùn)行。

 

圖1 VxWorks加載映象啟動(dòng)順序

3.2 VxWorks映像的啟動(dòng)流程

VxWorks應(yīng)用系統(tǒng)的啟動(dòng)順序，一般是先加載BootRom; BootRom再加載VxWorks應(yīng)用，并跳轉(zhuǎn)到VxWorks的入口SysInit執(zhí)行。SysInit()復(fù)位CPU，執(zhí)行最少而必要的硬件初始化，轉(zhuǎn)而調(diào)用UserInit()，完成內(nèi)核啟動(dòng)之前的初始化。UserInit()調(diào)用子程序激活VxWorks內(nèi)核。首先子程序SysHWInit()將硬件置于初始的安全狀態(tài)，然后子程序 KernelInit()激活VxWorks內(nèi)核，生成多任務(wù)環(huán)境，并產(chǎn)生一個(gè)任務(wù)來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)程序以及創(chuàng)建設(shè)備、初始化VxWorks 庫(kù)、調(diào)用應(yīng)用程序啟動(dòng)代碼，而用來(lái)生成這個(gè)任務(wù)的子程序是UserRoot()。可見，通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該位于UserRoot()中，而 BSP專用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則位于子程序SysHWInit()中。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程完成后，系統(tǒng)進(jìn)入多任務(wù)環(huán)境運(yùn)行^[3]。VxWorks可加載映像的啟動(dòng)順序如圖1所示。

4  基于PC486的BSP設(shè)計(jì)過(guò)程及應(yīng)用程序加載

4.1 BSP設(shè)計(jì)過(guò)程

BSP開發(fā)處于整個(gè)嵌入式開發(fā)的前期，是后面系統(tǒng)上應(yīng)用程序能夠正常運(yùn)行的保證。大體上，BSP的設(shè)計(jì)與開發(fā)可以分為以下幾個(gè)步驟：

(1)建立開發(fā)環(huán)境。安裝 VxWorks 集成開發(fā)環(huán)境 Tornado，采用宿主機(jī)目標(biāo)機(jī)交叉開發(fā)。

(2)選擇合適的BSP模板。一個(gè)合適相近的BSP模板可以大大減少開發(fā)周期。

(3)bootrom的運(yùn)行。修改、添加WIND內(nèi)核激活前的初始化代碼。

(4)VxWorks的配置。修改或添加所需要組件及驅(qū)動(dòng)程序，激活內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)基本的操作系統(tǒng)功能。

(5)測(cè)試與驗(yàn)證。正確實(shí)現(xiàn)bootrom及VxWorks的下載，根據(jù)不同需要，進(jìn)行修改與測(cè)試。

結(jié)合實(shí)際中的工程，針對(duì)單串口的pc486目標(biāo)機(jī)，在串口通信方式下，如何生成BSP及VxWorks系統(tǒng)的啟動(dòng)流程做一簡(jiǎn)單介紹。VxWorks主機(jī)工具與目標(biāo)記交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 VxWorks主機(jī)工具與目標(biāo)機(jī)交互關(guān)系

(1)建立所需目錄。

在c:\Tornado\target\config\中建立子目錄all486,srl486,拷貝c:\Tornado\target\config\all中的全部文件到子目錄all486中，拷貝c:\Tornado\target\config\pc486中的全部文件到子目錄srl486中以便修改且不影響其他人的使用。

(2)修改makefile。

修改或添加以下語(yǔ)句：

TARGET_DIR =srl486，TARGET_DIR為bsp目錄名，將其指向要修改的bsp目錄。

CONFIG_ALL=..\all486，將缺省ALL的文件復(fù)制到all486目錄，在all486目錄下做自己的修改。

正確理解四個(gè)地址的含義，如下：

ROM_BASE_ADRS: rom的起始地址。

ROM_TEXT_ADRS: rom映象的起始地址。

ROM_SIZE: rom的大小。

RAM_HIGH_ADRS: VxWorks應(yīng)用在存儲(chǔ)器低端定位開始的地址。

上述地址根據(jù)目標(biāo)機(jī)實(shí)際的硬件情況進(jìn)行設(shè)置，在config.h，makefile和makefile.*文件中都要定義，且大小必須要保持一致。Makefile中的上述地址不以0X開頭，與config.h中有所區(qū)別。

(3)修改config.h。這里config.h修改包括：

#define DEFAULT_BOOT_LINE \

"tsfs(0,0)host:vxWorks h=192.168.0.66 e=192.168.0.98 u=target"

…

#if TRUE

#define INCLUDE_PC_CONSOLE

#endif

…

#undef   WDB_TTY_DEV_NAME

#define  WDB_TTY_DEV_NAME "/tyCo/0"

#undef   CONSOLE_TTY

#define  CONSOLE_TTY  NONE

#undef   WDB_TTY_CHANNEL

#define  WDB_TTY_CHANNEL  0

#undef   WDB_COMM_TYPE

#define  WDB_COMM_TYPE   WDB_COMM_SERIAL

#undef   WDB_TTY_BAUD

#define  WDB_TTY_BAUD 38400

#define  INCLUDE_TSFS_BOOT

#undef   INCLUDE_WDB_TSFS

#define  INCLUDE_WDB_TSFS

…

同時(shí)屏蔽掉與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的組件。

(4)生成bootrom和VxWorks映像。在生成bootrom時(shí)，可在Tornado的集成環(huán)境下Build菜單中選擇Build Boot ROM來(lái)創(chuàng)建指定類型的Boot ROM。在生成VxWorks映像時(shí)，可在Tornado的集成環(huán)境下Build菜單中選擇standard BSP Builds來(lái)生成VxWorks映像。此外，也可以在命令行環(huán)境下利用Makefile創(chuàng)建各種映像類型。

根據(jù)bootCongfig.c中的說(shuō)明，我們的在config.h中的設(shè)置使能了虛擬控制臺(tái)，所以bootrom啟動(dòng)后，我們?cè)赥ornado開發(fā)環(huán)境中，通過(guò)選中configure target server的target server property中的console and redirection項(xiàng)，啟動(dòng)虛擬控制臺(tái)。這樣在虛擬控制臺(tái)可以看到啟動(dòng)信息，且按下 “@” 之后開始加載 VxWorks image。

4.2基于VxWorks的應(yīng)用程序的加載

應(yīng)用程序運(yùn)行于VxWorks操作系統(tǒng)上。對(duì)于已存在的應(yīng)用程序，VxWorks主要通過(guò)兩種方式添加。一類是可下載的應(yīng)用程序；一類是可啟動(dòng)的應(yīng)用程序。

一個(gè)可下載的應(yīng)用程序包含一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)對(duì)象模塊，這些模塊可以下載和動(dòng)態(tài)鏈接到VxWorks，并從shell或調(diào)試器中啟動(dòng)^[4]。即允許目標(biāo)模塊裝載到一個(gè)運(yùn)行的系統(tǒng)中。通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)可下載的工程，構(gòu)建該工程，使用適當(dāng)?shù)挠诚駟��?dòng)目標(biāo)。下載工程所產(chǎn)生的部分鏈接和變換的.out文件。

一個(gè)可啟動(dòng)的應(yīng)用程序包含一個(gè)鏈接到VxWorks映像的應(yīng)用程序^[4]。目標(biāo)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可啟動(dòng)的應(yīng)用程序開始運(yùn)行。通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)可啟動(dòng)的工程添加應(yīng)用程序文件，然后編輯VxWorks初始化文件usrAppInit.c，為應(yīng)用程序的初始化和啟動(dòng)工程添加調(diào)用。

5  結(jié)束語(yǔ)

VxWorks以其良好的性能和持續(xù)發(fā)展能力在各種高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)希望能將其移植到更多的硬件平臺(tái)上。本文對(duì)基于VxWorks的BSP進(jìn)行了分析，并在實(shí)際工程中得到了實(shí)現(xiàn)。但是針對(duì)不通的CPU板，BSP的實(shí)現(xiàn)不同，需根據(jù)具體的硬件板進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，這是嵌入式設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。