任修齊

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林541004)

VxWorks是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一款嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），其具有高性能的內(nèi)核（Wind Kernel）、持續(xù)發(fā)展能力以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域一直占據(jù)著高端位置。當(dāng)前實(shí)時(shí)嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分一般采用VxWorks?？紤]到VxWorks的通用性，WindRiver公司將操作系統(tǒng)與硬件之間的一層獨(dú)立開來，命名為BSP（board support package）。BSP能夠使操作系統(tǒng)相對于特定的硬件平臺具有獨(dú)立性，其對上層屏蔽、封裝具體的硬件細(xì)節(jié)，為系統(tǒng)調(diào)用以及應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一的接口[1]。

面對一個(gè)特定的硬件平臺，需要在其支持簡單外設(shè)時(shí)正常運(yùn)行起來，這里涉及到的系統(tǒng)引導(dǎo)和驅(qū)動開發(fā)都是BSP的核心內(nèi)容。因此BSP開發(fā)是進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)研發(fā)時(shí)需要完成的第一個(gè)任務(wù)。BSP與特定硬件關(guān)系密切，不同架構(gòu)的CPU對應(yīng)的BSP絕大部分不同，即使同一款CPU，在外設(shè)細(xì)微差異的情況下，BSP也會有較大的不同，這是BSP開發(fā)的復(fù)雜性所在[2]。本文以嵌入式微處理器MPC8548硬件平臺為例，采用“整體移植，局部修改”的開發(fā)方法，利用WindRiver公司為PowePc CPU提供的BSP模板，詳細(xì)介紹了VxWorks BSP開發(fā)過程。

1 BSP介紹

1.1 BSP的概念

BSP通常是指特定的硬件平臺下的一個(gè)程序集合，包括啟動代碼和部分硬件設(shè)備驅(qū)動程序。在Vx-Works系統(tǒng)中，BSP簡單描述為介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個(gè)軟件接口。

如圖1[2]BSP和PC機(jī)主板上的BIOS有些類似，但有一些區(qū)別。由于PC產(chǎn)業(yè)的高度成熟，BIOS的設(shè)計(jì)已經(jīng)充分標(biāo)準(zhǔn)化，BIOS主要是負(fù)責(zé)在PC機(jī)主板啟動時(shí)檢測、初始化系統(tǒng)設(shè)備，并沒有包含一些基本外設(shè)的驅(qū)動。BSP的概念只是針對嵌入式操作系統(tǒng)而提出的，其實(shí)現(xiàn)有較大的靈活性。在啟動的開始部分BSP和BIOS所做的工作類似，而后的大部分是不同的，BSP還包含和平臺有關(guān)的基本驅(qū)動(串口、網(wǎng)口等)。另外BSP是和操作系統(tǒng)“捆綁”在一起運(yùn)行于主板上的。

圖1 RTOS BSP和PC BIOS的比較

以下從BSP職責(zé)、組成、執(zhí)行過程三個(gè)方面分別介紹[3~4]。

1.2 BSP的職責(zé)

1.2.1 硬件環(huán)境的初始化

處理器和硬件環(huán)境的不同決定著VxWorks引導(dǎo)順序的差異，初始化硬件的步驟一般分為：

（1）在主存儲器的特定位置放置一段代碼（跳轉(zhuǎn)指令），當(dāng)上電復(fù)位后處理器將立即執(zhí)行這段代碼；

（2）根據(jù)HRCW（硬件復(fù)位配置字），將處理器設(shè)置為某個(gè)具體的狀態(tài)；

（3）初始化存儲器并對存儲器進(jìn)行劃分；

（4）關(guān)閉中斷；

（5）將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給鏡像的引導(dǎo)代碼；

（6）裝載需要的VxWorks段到RAM中；

（7）在開始初始化VxWorks內(nèi)核之前，確保以CPU為主的硬件處于狀態(tài)靜止。

1.2.2 硬件驅(qū)動程序的集成

為支持操作系統(tǒng)訪問硬件外設(shè)，BSP必須支持設(shè)備驅(qū)動程序相關(guān)的配置管理。主要指以下幾個(gè)方面：

（1）在BSP里面支持部分驅(qū)動程序，其中包括驅(qū)動程序所調(diào)用的中斷服務(wù)程序；驅(qū)動程序代碼涉及到的結(jié)構(gòu)體以及宏等；

（2）BSP需支持硬件驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)可移植性。比如允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序在不同的硬件環(huán)境之間移植；

（3）設(shè)備的管理和配置，比如：將產(chǎn)品的開發(fā)和配置分開。

1.2.3 軟件（與硬件相關(guān)）的集成

一個(gè)好的BSP不僅功能齊全，還需要考慮如下問題：

（1）提供代碼編譯時(shí)的適應(yīng)性。比如：使用預(yù)處理宏，用戶可以根據(jù)自己的需要來定制BSP系統(tǒng)。例如：

#define INCLUDE_ATA/*包含ATA硬盤驅(qū)動程序*/

#define INCLUDE_FD/*包含軟盤驅(qū)動程序*/

（2）提供執(zhí)行時(shí)的可移植性。比如：提供編譯對象模塊的可移植性；使用指針訪問程序。

1.3 BSP的組成

BSP主要由源文件、head文件、自動化編譯文件、派生文件組成，其實(shí)現(xiàn)的主干部分為源文件。以下主要介紹源文件。

1.3.1 BSP相關(guān)文件

這些文件位于.. argetconfigall目錄，它們并不是特定BSP的一部分，而是所有BSP的公共部分。該目錄主要由下面幾個(gè)文件組成：

（1）bootConfig.c。其包含完整的引導(dǎo)ROM外殼任務(wù)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化表（NETIF），其主要對引導(dǎo)型ROM鏡像起初始化和控制作用。該文件定義了usrInit()函數(shù)和usrRoot()函數(shù)。

（2）bootInit.c。該文件包含引導(dǎo)ROM鏡像第二階段的初始化代碼，包括了函數(shù)romStart()，該函數(shù)的作用是重定位ROM鏡像和壓縮必要的代碼。

（3）usrConfig.c。其包含VxWorks鏡像的主要初始化代碼。它的初始化功能較為完整，包括了.. argetsrcconfigusrExtra.c文件以及其他提供子系統(tǒng)配置和初始化的文件。

（4）version.c。其提供了VxWorks版本號、構(gòu)造鏡像時(shí)的日期和時(shí)間，這些信息會在執(zhí)行VxWorks鏡像時(shí)顯示。

（5）configAll.h。其設(shè)置了所有VxWorks鏡像的通用設(shè)置。

1.3.2 BSP實(shí)現(xiàn)文件

這些文件位于.. argetconfigspname目錄，包含了系統(tǒng)或硬件相關(guān)的BSP文件。其中的函數(shù)都需要依據(jù)硬件平臺進(jìn)行編寫和調(diào)試。主要由下面幾個(gè)文件組成：

（1）rominit.s。該文件包含引導(dǎo)ROM和基于ROM的VxWorks鏡像的入口初始化匯編代碼。函數(shù)romInit()負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)入口，該函數(shù)執(zhí)行初始化CPU、初始化內(nèi)存、初始化堆棧指針等。

（2）sysLib.c。該文件包含目標(biāo)機(jī)體系結(jié)構(gòu)、與系統(tǒng)有關(guān)的C程序。這些程序?qū)崿F(xiàn)了上層與硬件的接口，由于這些接口，VxWorks和應(yīng)用程序的構(gòu)造與硬件無關(guān)。對硬件平臺所有外部器件初始化函數(shù)sysHwInit()和中斷掛載函數(shù)sysHwInit2()也在該文件中實(shí)現(xiàn)。

（3）sysSerial.c。這是一個(gè)可選文件，包含所有的SIO設(shè)備串行I/O驅(qū)動程序的安裝和初始化，包含串口初始化函數(shù)sysSerialHwInit()、sysSerialHwInit2()。

（4）systemClk.c。其包含系統(tǒng)時(shí)鐘處理函數(shù)sysClkConnect()、sysClkRateSet()和sysClkEnable()。

（5）IntrInit.c。其包含中斷控制器初始化函數(shù)IntrInit()。

（6）config.h。其包含了全部頭文件與涉及CPU的特殊宏。

（7）makefile。該文件控制使用命令行方式構(gòu)造鏡像。

1.4 BSP執(zhí)行過程

上一節(jié)中介紹了BSP的文件組成以及所包含的函數(shù)，執(zhí)行這些函數(shù)，硬件平臺實(shí)現(xiàn)了從上電到Vx-Works啟動完成。下面以ROM型VxWorks鏡像啟動為例介紹BSP函數(shù)的執(zhí)行過程。

系統(tǒng)上電啟動后，首先執(zhí)行固化在ROM中的romInit()函數(shù)，其功能主要是禁止CPU中斷，配置SDRAM控制器，設(shè)置初始棧指針，然后執(zhí)行romStart()函數(shù)將ROM中VxWorks鏡像拷貝到RAM中執(zhí)行，接著在RAM中首先執(zhí)行usrInit()函數(shù)。usrInit()調(diào)用sysHwInit()函數(shù)初始化外部硬件設(shè)備，調(diào)用usrKernelInit()函數(shù)初始化并啟動內(nèi)核，調(diào)用usrRoot()函數(shù)連接系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化并設(shè)置I/O系統(tǒng)和安裝所有外部設(shè)備驅(qū)動程序。至此系統(tǒng)啟動完成，BSP執(zhí)行結(jié)束。

圖2 BSP執(zhí)行過程中的核心函數(shù)調(diào)用

在啟動過程中，與具體硬件平臺相關(guān)的函數(shù)有romInit()、sysHwInit()以及usrRoot()調(diào)用的系統(tǒng)時(shí)鐘函數(shù)。其中，sysHwInit()函數(shù)調(diào)用所有外部硬件設(shè)備的初始化函數(shù)。例如：串口初始化函數(shù)sysSerialHwInit（）、中斷控制器初始化函數(shù)IntrInit()、時(shí)鐘函數(shù)。時(shí)鐘函數(shù)包括：時(shí)鐘驅(qū)動掛載函數(shù)sysClkConnect()、時(shí)鐘速率設(shè)置函數(shù)sysClkRateSet()和時(shí)鐘使能函數(shù)sysClkEnable()。其中，sysClkConnect()函數(shù)還調(diào)用sysHwInit2()函數(shù)安裝所有外部設(shè)備的中斷處理程序，例如：串口中斷掛載程序sysSerialHwInit2()。啟動完成后所有外部設(shè)備驅(qū)動開始工作。

2 BSP開發(fā)

2.1 硬件平臺介紹

PowerPc處理器是Freescale、IBM和蘋果電腦的合作結(jié)晶。作為一個(gè)處理器，PowerPc在指令集、指令執(zhí)行和處理器內(nèi)核的設(shè)計(jì)方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢[5]。MPC8548是基于Freescale（飛思卡爾）的PowerPC架構(gòu)的PowerQuiccⅢ處理器，其強(qiáng)大的處理能力特別適合于高速低時(shí)延的處理。主要參數(shù)如下[6]：

路面基層檢測合格及模板安裝完成后，進(jìn)行鋼筋網(wǎng)安裝。先將橫筋按設(shè)計(jì)尺寸布置于底層，再將縱筋布置橫筋上方，在此過程中要注意鋼筋在板厚方向的高度，預(yù)留足夠的保護(hù)層厚度。鋼筋布置完成后進(jìn)行鋼筋連接，縱向鋼筋接頭采用電弧單面焊接，搭接長度為16cm，焊接接頭處應(yīng)錯(cuò)開布置，接頭連線與路面行車方向成45°夾角，縱向鋼筋與橫向鋼筋交叉處采用鋼絲繩綁扎。采用φ16鋼筋彎拉制做成“Ω”形置于橫向鋼筋下作為鋼筋支架，并采用電焊連接，橫向布置間隔約為150cm，縱向布置間隔約為120cm。

最高頻率：1.5 GHz；支持內(nèi)存：最高2 G Byte DDR2 SDRAM；Flash：最高512 Kbyte+64 MByte×2+1 GByte；以太網(wǎng)口：前面板端2個(gè)千兆RJ45口；串口：前面板監(jiān)控串口；PCIexpress：AMC金手指端支持PCIe x4；電源：支持單板外部輸入單獨(dú)12 V/2 A電源和AMC金手指端供電。

采用的硬件平臺是圍繞MPC8548處理器設(shè)計(jì)的通信板。如圖3，硬件平臺的外設(shè)有：512 MByte的SDRAM，1 G×16 Bit NAND Flash Memory，RS-232串口，10/100 Mbit/s網(wǎng)口和JTAG調(diào)試端口。

圖3 硬件平臺結(jié)構(gòu)

2.2 BSP函數(shù)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 rominit()函數(shù)

該函數(shù)在romInit.s中實(shí)現(xiàn)，其主要功能是：配置HRCW；配置內(nèi)存系統(tǒng)；初始化堆棧指針[7]。

（1）配置HRCW。本平臺CPU使用的HRCW為0x0AA356B7，CPU讀取HRCW后將自身設(shè)置為特定狀態(tài)。MPC8548處理器使用指向FLASH的CS0，上電啟動后CS0有效且讀/寫位寬是16 bit，MPC8548從FLASH的地址0x00、0x08、0x10和0x18共計(jì)讀取32 bit的HRCW，配置其自身的工作模式。然后在執(zhí)行一段跳轉(zhuǎn)指令后MPC8548將程序計(jì)數(shù)器指向FLASH地址0x100（復(fù)位異常向量）處執(zhí)行rominit()函數(shù)。因此在rominit.s文件的開始部分通過匯編指令.fill將硬件復(fù)位字寫到0x00、0x08、0x10和0x18處，剩余空間直到0x100處寫0，具體如下：

.fill 8,1,0x0A

.fill 8,1,0xA3

.fill 8,1,0xB7

.fill 224,1,0

rominit：

（2）配置內(nèi)存系統(tǒng)。當(dāng)執(zhí)行到romInit()函數(shù)時(shí)，romInit()在屏蔽外部中斷，關(guān)閉高速緩存后開始配置連接FLASH和SDRAM內(nèi)存的控制器，確定它們的內(nèi)存地址（分配給FLASH的基地址為0xF0000000）。此時(shí)將FLASH映射到地址為0xFC000000的空間，如果不執(zhí)行一段跳轉(zhuǎn)指令，CPU將按照地址0x0從FLASH中讀取指令，造成系統(tǒng)崩潰。

解決方法如下：在romInit函數(shù)內(nèi)部定義一個(gè)符號start，讓跳轉(zhuǎn)指令跳到這個(gè)符號的位置執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)地址=0xF0000000+start-0x100。此時(shí)CPU才能以0xFC00000為基地址，從偏移地址（start-0x100）讀取指令。

接下來只需完成CS0對應(yīng)的寄存器配置，以確定FLASH和SDRAM地址空間劃分。

2.2.2 sysLib.c文件

sysLib.c是BSP初始化的核心代碼，提供了Vx-Works和應(yīng)用程序之間的板級聯(lián)系。動態(tài)頁表和靜態(tài)頁表是兩種主要的內(nèi)存映射模式，這里著重介紹動態(tài)頁表的配置。

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，硬件平臺將開啟MMU功能。BSP在sysLib.c文件中定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組sysPhysMemDesc[]來配置MMU的動態(tài)頁表。sys-PhysMemDesc[]數(shù)組中的每個(gè)結(jié)構(gòu)體對應(yīng)著物理內(nèi)存中一個(gè)塊單元，結(jié)構(gòu)體定義了物理地址、物理地址映射的虛擬地址(一般情況下與物理地址相同)、該塊內(nèi)存初始化狀態(tài)信息、掩碼信息等。其可包含的映射空間有內(nèi)存、Flash、ROM、I/O設(shè)備等，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求自行進(jìn)行配置。部分代碼如下[8]：

PHYS_MEM_DESCsysPhysMemDesc[]=

{

{(void*)(ROM_BASE_ADRS+0xF0000000),(void*)(ROM_BASE_ADRS),

ROUND_UP(ROM_SIZE_TOTAL*2,PAGE_SIZE),VM_STATE_MASK_VALID|

VM_STATE_MASK_WRITABLE|VM_STATE_MASK_CACHEABLE,VM_STATE_VALID|

VM_STATE_WRITABLE_NOT|VM_STATE_CACHEABLE_NOT},

…

…

};

上面的代碼是對ROM_BASE_ADRS的內(nèi)存映射，ROM_BASE_ADRS+0Xf0000000是要映射的虛擬地址，ROM_BASE_ADRS是硬件設(shè)計(jì)時(shí)定義的實(shí)際物理地址，ROUND_UP(ROM_SIZE_TOTAL*2,PAGE_SIZE)是映射長度，VM_STATE_MASK_VALID|VM_STATE_MASK_WRITABLE|VM_STATE_MASK_CACHEABLE是初始化的地址狀態(tài)，VM_STATE_VALID|VM_STATE_WRITABLE_NOT|VM_STATE_CACHEABLE_NOT是實(shí)際初始化的地址狀態(tài)。

sysLib.c中包含了與硬件初始化密切相關(guān)的函數(shù)sysHwInit()和函數(shù)sysHwInit2()[9]。

2.2.3 sysHwInit()函數(shù)

sysHwInit()函數(shù)的功能是初始化系統(tǒng)硬件，該函數(shù)包含在sysLib.c文件中。根據(jù)本硬件平臺開發(fā)需求，需要編寫中斷控制器初始化函數(shù)IntrInit()和串口控制器初始化函數(shù)sysSerialHwInit()。

（1）IntrInit()函數(shù)。該函數(shù)位于IntrInit.c文件。根據(jù)MPC8548中斷控制器的工作原理需要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：

一是，將中斷分離程序掛接到外部異常向量上。PowerPC處理器所有外部中斷共享同一個(gè)外部異常向量0x500，中斷分離程序的作用是識別中斷源，然后獲得中斷向量并調(diào)用中斷服務(wù)程序ISR。

二是，安裝鉤子函數(shù)。系統(tǒng)提供了3個(gè)鉤子函數(shù)：中斷連接函數(shù)_func_intConnectRtn、中斷使能函數(shù)_func_intEnableRtn和中斷禁止函數(shù)_func_intDisableRtn。需根據(jù)中斷控制器工作原理編寫具有上述功能的3個(gè)函數(shù)，然后指向?qū)?yīng)的鉤子函數(shù)。

三是，禁止所有中斷。

（2）sysSerialHwInit()函數(shù)。該函數(shù)在sysSerial.c文件中實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)處理器引腳配置和串口控制器配置。MPC8548處理器外部引腳是復(fù)用的，需要分為3步來執(zhí)行初始化：將串口控制器對應(yīng)的引腳配置為串口使用；配置串口工作模式及速率；為串口驅(qū)動分配收/發(fā)緩沖。

2.2.4 sysHwInit2()函數(shù)

該函數(shù)位于sysLib.c文件，其負(fù)責(zé)連接系統(tǒng)中斷，初始化其它必要的配置[10]。在初步開發(fā)時(shí)，平臺外部設(shè)備只使用串口模塊，sysHwInit2()函數(shù)只需要調(diào)用串口中斷掛載函數(shù)sysSerialHwInit2()，該函數(shù)在sysSerial.c文件中實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方法是：根據(jù)所使用串口的中斷號，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)intConnect()將中斷處理程序注冊到系統(tǒng)中斷向量表中。

3 調(diào)試

3.1 ICE(In-Circuit Emulator)調(diào)試法

BSP開發(fā)過程中最常用的一種調(diào)試方法是ICE調(diào)試法，如圖4所示。其過程是仿真頭插在用戶板的CPU位置上，然后在仿真器RAM中或目標(biāo)機(jī)RAM中下載好被調(diào)試的VxWorks鏡像。ICE調(diào)試法的原理為：在具體硬件平臺上運(yùn)行仿真器的CPU來調(diào)試軟件。

圖4 IDE調(diào)試法

3.2 調(diào)試過程中遇到的幾個(gè)問題

rominit.s中有少量的初始化操作，這些操作是為載入VxWorks鏡像服務(wù)的，在能夠保證正常載入鏡像的情況下要使rominit.s中的初始化操作盡量的精簡。實(shí)際上絕大部分初始化任務(wù)要由sysHwInit()函數(shù)來完成。

函數(shù)malloc()不能在調(diào)試階段調(diào)用。這是由于malloc()屬于緩沖區(qū)函數(shù)，在內(nèi)存分配的初始化還未完成時(shí)調(diào)用函數(shù)malloc()將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。前文提到的intConnect()不能夠在sysHwInit()中被調(diào)用。

4 結(jié)束語

文中介紹了VxWorks BSP的組成和功能，并以MPC8548為核心的硬件平臺為例詳細(xì)介紹了BSP的開發(fā)過程。雖然針對不同的硬件平臺，BSP需要根據(jù)具體的硬件細(xì)節(jié)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，但是各類硬件平臺之間還是有一定的共性，故對VxWorks BSP的開發(fā)者有一定的借鑒作用。同時(shí)，“整體移植，局部修改”的開發(fā)方法對開發(fā)效率有明顯提高。

[1]陳智育，溫彥軍，陳 琪.VxWorks程序開發(fā)實(shí)踐[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2]周啟平，張 揚(yáng).VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南[M].北京:中國電力出版社，2004.

[3]Wind River.VxWorks kernel programmer's guide 6.4[EB/OL].http//www-ad.fnal.gov/controls/micro_p/manuals/vx-works_kernel_programmers_guide_6.4.pdf.2012-12-15.

[4]Wind River.VxWorks architecture supplement 6.4[EB/OL].http://www-ad.fna1.gov/controls/micro~/manu-als/vxworks-architecture supplemen_6.4.pdf.2012-12-10.

[5]王 齊.Linux PowerPc詳解-核心篇[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6]Freescale.MPC8548E PowerQUICCTMⅢIntegrated Processor Family Reference Manual[EB/OL].http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/ref_manual/MPC8548ERM.pdf.2012-12-8.

[7]王彥剛，呂遵明，萬留進(jìn).VxWorks系統(tǒng)的BSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(12):91-94.

[8]李 丹.E500 MMU架構(gòu)研究及VxWorks下的優(yōu)化方案[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，48(30):56-61.

[9]Wind River.VxWorks architecture supplement 6.4[EB/OL].http://www-ad.fna1.gov/controls/micro~/manuals/vxworks-architecture_supplement_6.4.pdf.2012-12-8.

[10]張 忠，樊留群.VxWorks在S3C2410上的BSP設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2005，21(10):16-19.