石 強 張麗杰 常 佶

摘 要:為了在基于方舟CPU的小型無人機控制駕駛儀的硬件開發(fā)板上移植eCos可配置實時操作系統(tǒng),研究eCos系統(tǒng)的硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu),修改和移植基于Arca公司提供的eCos硬件抽象層和Inter FLASH設(shè)備驅(qū)動程序的源代碼,最后對移植后的Inter FLASH設(shè)備驅(qū)動程序進行系統(tǒng)測試。結(jié)果表明Redboot系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:Arca;eCos;Redboot;硬件抽象層;配置;驅(qū)動

中圖分類號:TP273

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)需要支持的外部設(shè)備種類繁多,如何構(gòu)造運行良好的嵌入式設(shè)備的驅(qū)動程序,對嵌入式操作系統(tǒng)的實際應(yīng)用有重要意義。eCos是一種源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng),對嵌入式應(yīng)用具有良好的支持,內(nèi)核專門設(shè)計了便于設(shè)備驅(qū)動管理和開發(fā)的I/O包和DEV包,開發(fā)人員可以方便地將自己開發(fā)的驅(qū)動程序加入其中,與別的系統(tǒng)組件一起進行配置。

1 系統(tǒng)目標(biāo)板簡介

硬件目標(biāo)板是為無人機系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)開發(fā)板,它是從Arca系統(tǒng)測試板經(jīng)過功能簡化設(shè)計而來的滿足無人機系統(tǒng)要求的目標(biāo)板。硬件目標(biāo)板如圖1所示。

GT2000 支持SRAM,FLASH,ROM,VLIO(靜態(tài)段支持可變等待時間I/O 設(shè)備)和SDRAM(同步動態(tài)RAM)等外部擴展存儲器。GT2000的外部地址空間是按體(bank)劃分的,有四個體屬于靜態(tài)存儲器區(qū)域,由引腳〤S0猍TX-]~〤S3猍TX-]選擇,在將FLASH,SRAM,VLIO(用作其他外設(shè)接口)等靜態(tài)I/O設(shè)備地址分別設(shè)計在〤S0猍TX-]~〤S2猍TX-]區(qū)域內(nèi),由GT2000內(nèi)部的外部內(nèi)存訪問接口(EMI)控制器中的靜態(tài)內(nèi)存訪問控制寄存器(SMCR)進行訪問控制,分配地址訪問接口。

系統(tǒng)目標(biāo)板選用兩片Intel 公司的TE28F320 的FLASH(16 位)并聯(lián)獲得32 位總線寬度。Intel 公司的TE28F320 是32 Mb(2 M×16 b)多功能FLASH, 2.7~3.6 V單電源供電,讀取時間為70 ns,封裝格式為48[CD*2]Pin TSOP(12 mm×20 mm)或48[CD*2]Ball TFBGA,可被擦寫10 000 次。方舟的JTAG 仿真器支持TE28F320 FLASH,可以通過JTAG 接口進行在線讀寫和擦除,這給調(diào)試程序和硬件提供了方便。

FLASH 的電路原理圖以及GT2000 的引腳“DACK[2..1]/MD_MEM[1..0]”設(shè)置如圖2所示。オ[KH-1]

2 eCos驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)與驅(qū)動程序設(shè)計模式

eCos操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序通常包含以下內(nèi)容:提供一些底層函數(shù),負責(zé)完成設(shè)備初始化與配置、注冊設(shè)備,從設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)、控制設(shè)備、處理設(shè)備中斷等,并進行設(shè)備管理。eCos操作系統(tǒng)內(nèi)核支持設(shè)備驅(qū)動程序的同步、計時、內(nèi)存管理、緩沖區(qū)管理、設(shè)備名空間及資源管理等。

eCos系統(tǒng)的I/O包中包含了設(shè)備的驅(qū)動程序接口模塊,全部是以組件的形式存在。設(shè)備驅(qū)動程序模塊支持系統(tǒng)設(shè)計的分層結(jié)構(gòu)。設(shè)備I/O包中的程序需要使用設(shè)備DEV包中的程序,而設(shè)備DEV包中的程序需要調(diào)用eCos的硬件抽象層包中的底層接口函數(shù),如┩3所示。

2.1 設(shè)備驅(qū)動程序用戶API

eCos為應(yīng)用程序提供了一組用戶API函數(shù),這些操作包括對設(shè)備進行初始化和配置,獲取配置信息,對設(shè)備進行讀寫等。設(shè)備驅(qū)動程序必須使用設(shè)備句柄進行設(shè)備操作,通過cyg_io_lookup()函數(shù)把設(shè)備在系統(tǒng)中的惟一名字映射成設(shè)備句柄。

2.2 eCos驅(qū)動程序與內(nèi)核及HAL的接口

應(yīng)用程序在使用設(shè)備的時候,通過驅(qū)動程序的用戶API函數(shù)訪問設(shè)備驅(qū)動程序,設(shè)備驅(qū)動程序又調(diào)用設(shè)備內(nèi)核API函數(shù)與內(nèi)核和硬件抽象層HAL進行交互,設(shè)備驅(qū)動程序和內(nèi)核又通過硬件抽象層HAL對硬件平臺進行操作。

eCos內(nèi)核向設(shè)備驅(qū)動程序提供調(diào)度、時鐘、同步、中斷等內(nèi)核服務(wù)的支持。在某些嵌入式應(yīng)用中,部分內(nèi)核服務(wù)并不是必需的。在配置時不選擇Kernel包,設(shè)備驅(qū)動程序的內(nèi)核服務(wù)支持由硬件抽象層提供。

HAL包含所有與平臺相關(guān)的代碼,是eCos操作系統(tǒng)對硬件進行的抽象定義,它直接控制和訪問硬件,為eCos內(nèi)核和高層代碼提供服務(wù)。

I/O包和DEV包構(gòu)成了eCos驅(qū)動程序的基本框架。設(shè)備驅(qū)動程序一般分為三個部分,分別為設(shè)備表入口DEVTAB_ENTRY、設(shè)備I/O函數(shù)表DEVIO_TAB和設(shè)備I/O函數(shù)。I/O包提供抽象的設(shè)備操作支持,應(yīng)用程序訪問設(shè)備時使用邏輯設(shè)備名,每個設(shè)備都對應(yīng)┮桓霆惟一的邏輯設(shè)備名。DEV包提供設(shè)備操作的底層實現(xiàn),對硬件通過HAL直接操作。

eCos中的所有設(shè)備驅(qū)動程序都使用設(shè)備表入口進行描述。設(shè)備表入口使用宏DEVTAB_ENTRY()可以生成一個設(shè)備表入口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中,_handlers指向DEVIO_TABLE入口函數(shù),提供用戶應(yīng)用程序的調(diào)用支持;_priv指向設(shè)備真正的硬件操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),提供硬件設(shè)備與上層軟件的交互。設(shè)備I/O入口宏定義如下:

2.3 設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計模式

一般來說,eCos提供了三種驅(qū)動程序設(shè)計模式。設(shè)備驅(qū)動程序與內(nèi)核和HAL之間的API接口主要對中斷以及中斷處理程序的ISR,DSR和線程的同步進行控制和管理。eCos設(shè)備驅(qū)動程序的中斷模塊分為┤個層次,分別是中斷服務(wù)程序ISR,中斷滯后服務(wù)程序DSR和中斷線程。中斷服務(wù)程序ISR在響應(yīng)中斷時立即調(diào)用,中斷滯后服務(wù)程序DSR由ISR發(fā)出調(diào)用請求后執(zhí)行,中斷線程為驅(qū)動程序的客戶程序。具體為硬件抽象層HAL對硬件中斷源譯碼,并在最短的時間內(nèi)調(diào)用ISR中斷服務(wù)程序,ISR對硬件中斷可以立即處理,但限于與中斷線程交互較少的設(shè)備。大多數(shù)情況下,需要請求相應(yīng)的中斷滯后服務(wù)程序DSR進入線程調(diào)度運行,DSR將在ISR執(zhí)行完成后立即運行。如果需要復(fù)雜的中斷服務(wù)則要用戶自己定義中斷線程。對于一個具有中斷的設(shè)備驅(qū)動程序,必須提供ISR和DSR。

3 [ZK(]基于方舟開發(fā)板的Inter FLASH驅(qū)動程序分析與移植[ZK)][BT)]

[BT(3+1]3.1 [ZK(]Inter公司的TE28F320 的FLASH芯片驅(qū)動程序分析[ZK)][BT)]

Inter FLASH驅(qū)動程序FLASH_28fxxx.inl文件定義了FLASH設(shè)備低層的管理設(shè)備I/O函數(shù), FLASH_28fxxx_parts.inl文件定義了FLASH設(shè)備邏輯信息,eCos系統(tǒng)I/O包使用DEVTAB_〦NTRY ()和DEVIO_TABLE()定義的_priv指針對FLASH設(shè)備低層I/O函數(shù)進行調(diào)用。

具體定義如下:

3.2 系統(tǒng)地址空間的分配方案。

當(dāng) MMU內(nèi)存管理單元的控制寄存器MCR.ATE為0時,地址映射方式變?yōu)橹苯佑成湮锢矸绞?如圖4所示。

直接映射方式的映射關(guān)系是:在使用高速緩存方式時將虛擬地址A1區(qū)域(0x80000000~0xA0000000)映射到實際物理地址0x00000000~0x20000000的區(qū)域;根據(jù)目標(biāo)開發(fā)板的設(shè)計規(guī)范,系統(tǒng)的FLASH的物理地址從0x00000000開始,系統(tǒng)設(shè)計編寫程序時使用相應(yīng)的虛擬地址空間為 0x80000000~0x80FFFFFF。SRAM的物理地址從0x04000000開始,使用相應(yīng)的虛擬地址空間為0x84000000~0x84200000。

不同的兩塊開發(fā)板所采用的芯片,特別是FLASH芯片有可能是不一樣的。由于為無人機專門設(shè)計開發(fā)的目標(biāo)板使用的是Inter公司的TE28F320 的FLASH芯片,與Arca公司使用的FLASH驅(qū)動程序不一樣,必須修改FLASH驅(qū)動及FLASH和SRAM的配置信息。

(1) SRAM布局文件修改如下:

Redboot是一個標(biāo)準的嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)和Debug環(huán)境,是基于eCos的一個應(yīng)用程序,使用eCos的硬件抽象層作為它的基礎(chǔ)。內(nèi)含GDBstub,允許從應(yīng)用程序調(diào)試的GDB宿主機鏈接目標(biāo)平臺,通過串口或網(wǎng)口進行調(diào)試。既可以用在產(chǎn)品的開發(fā)階段(調(diào)試功能),也可以用在最終的產(chǎn)品上。

[BT3]4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

使用eCos圖形配置工具對修改好的eCos硬件抽象層和FLASH設(shè)備驅(qū)動程序進行裁剪,并用串口進行系統(tǒng)測試,通過minicom顯示Redboot運行的FLASH和SRAM地址結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié) 語

本文通過裁剪和移植FLASH驅(qū)動程序到目標(biāo)開發(fā)板上,展示了具體的修改硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動程序代碼方法。通過實際裁剪,配置一個具有實際應(yīng)用價值的Redboot,對于嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用具有現(xiàn)實的意義。本文的難點在于eCos硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動程序源代碼的理解和修改。

參 考 文 獻

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作者簡介 石 強 男,1976年出生,內(nèi)蒙古呼和浩特人,在讀碩士研究生,專業(yè)為計算機應(yīng)用技術(shù)。

張麗杰 女,1973年出生,內(nèi)蒙古呼和浩特人,副教授,碩士生導(dǎo)師,在讀博士研究生,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)計算機系教師。

常 佶 男,1944年出生,內(nèi)蒙古呼和浩特人,教授,博士生導(dǎo)師,內(nèi)蒙古自治區(qū)機電控制重點實驗室主任。