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-- 發布時間：2010-12-1 8:58:27
-- 基于VxWorks的BSP技術分析
摘 要：結合嵌入式操作系統設計的主要特點，針對486目標機上VxWorks的定制，運用其BSP技術解決了移植過程中底層硬件與上層軟件無關性的問題。描述了BSP的概念和啟動流程，介紹了BSP設計過程，并結合實際工程給出了486目標機下VxWorks的定制及應用程序加載方法。
關鍵詞：嵌入式操作系統; VxWorks; Tornado; 板級支持包; 映像
VxWorks是由美國Wind River 公司推出的一種強嵌入式實時操作系統（RTOS）。它采用微內核結構，具有高可靠性、實時性、可裁減性等特點，而且支持多種CPU。VxWorks的一個重要特點是它的可移植性，應用程序編碼在很大程度上與目標板的硬件和結構無關。它把所有特定的硬件功能都集成在一個稱之為板級支持包BSP（Board Support Package）的庫中。
目前為止Wind River公司提供的基于某一CPU 評估板的BSP 超過200個，當用戶開發自己目標板的BSP時，比較簡單的方法是從所提供的BSP中選一個最接近的來修改。這里提到的BSP的設計就是指這種板級的對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境。
1 BSP的概念
BSP(Board Support Package,——板級支持包)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發包，這源于嵌入式操作系統與硬件無關的設計思想。如今的各種嵌入式系統,都采用了分層的設計方法。它將系統中與硬件直接相關的一層軟件獨立出來,稱之為板級支持包(BSP)。這里BSP的主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統的驅動及硬件驅動，具體功能包括：
(1)目標板硬件初始化，主要是CPU的初始化，為整個系統提供底層硬件支持；
(2)為操作系統提供設備驅動程序和系統中斷服務程序；
(3)定制操作系統的功能，為軟件系統提供一個實時多任務的運行環境；
(4)初始化操作系統，為操作系統的正常運行做好準備；無線SOC開發平臺499元 S3C44B0 ARM7開發板378元 S3C2410 ARM9開發板780元 AT91SAM7S64 ARM7
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2 BSP文件組成及功能
BSP中包括源代碼、頭文件、MAKE文件、派生文件以及二進制驅動程序模塊。在VxWorks 中硬件驅動程序分為通用性和BSP專用性兩類。在開發BSP時，既要對BSP專用的驅動程序提供支持，還要將通用的設備驅動程序集成在一起。因此，編寫的設備驅動程序，可根據具體情況放在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]。經過編譯、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，用戶可以針對不同的目標系統，通過修改這些文件來完成BSP與 VxWorks在不同平臺上的移植。
3 Vxworks映像分類及其啟動過程
3.1 VxWorks映像及其分類
VxWorks在啟動過程中涉及到兩個映像文件：bootrom映像和VxWorks映像。這兩個映像文件都要使用BSP代碼。bootrom文件是從ROM引導VxWorks的引導目標模塊，用于對目標板進行初始化，加載VxWorks操作系統映像。VxWorks image包含VxWorks OS，最終運行于目標板上。VxWorks映像按加載類型可分為：可下載映像和可引導映像；按運行方式分為在ROM中和在RAM中兩種。
可下載映像（Loadable Image），它實際包括兩部分，一是VxWorks，二是boot ROM，兩部分是獨立創建的。可引導映像(Bootable Image)是將引導程序和VxWorks融為一體的映像，一般為最終產品，包括不駐留ROM的映像和駐留ROM的映像兩種類型[2]。
VxWorks在ROM中運行，只要把VxWorks image的data段復制到RAM的RAM-LOW-ADRS，text部分留在ROM并在ROM執行。在ROM中運行VxWorks可以節省RAM空間，有利于應用程序有更大的空間運行，但是運行速度相對較慢。VxWorks在RAM中運行，寫入ROM中的boot或VxWorks image是壓縮的，需先解壓并復制所有的text或data到RAM的RAM-LOW-ADRS,在RAM中運行。
圖1 VxWorks加載映象啟動順序
3.2 VxWorks映像的啟動流程
VxWorks應用系統的啟動順序，一般是先加載BootRom; BootRom再加載VxWorks應用，并跳轉到VxWorks的入口SysInit執行。SysInit()復位CPU，執行最少而必要的硬件初始化，轉而調用UserInit()，完成內核啟動之前的初始化。UserInit()調用子程序激活VxWorks內核。首先子程序SysHWInit()將硬件置于初始的安全狀態，然后子程序 KernelInit()激活VxWorks內核，生成多任務環境，并產生一個任務來安裝驅動程序以及創建設備、初始化VxWorks 庫、調用應用程序啟動代碼，而用來生成這個任務的子程序是UserRoot()。可見，通用的設備驅動程序應該位于UserRoot()中，而 BSP專用的設備驅動程序則位于子程序SysHWInit()中。整個啟動過程完成后，系統進入多任務環境運行[3]。VxWorks可加載映像的啟動順序如圖1所示。
4 基于PC486的BSP設計過程及應用程序加載
4.1 BSP設計過程
BSP開發處于整個嵌入式開發的前期，是后面系統上應用程序能夠正常運行的保證。大體上，BSP的設計與開發可以分為以下幾個步驟：
(1)建立開發環境。安裝 VxWorks 集成開發環境 Tornado，采用宿主機目標機交叉開發。
(2)選擇合適的BSP模板。一個合適相近的BSP模板可以大大減少開發周期。
(3)bootrom的運行。修改、添加WIND內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動程序，激活內核，實現基本的操作系統功能。
(5)測試與驗證。正確實現bootrom及VxWorks的下載，根據不同需要，進行修改與測試。
結合實際中的工程，針對單串口的pc486目標機，在串口通信方式下，如何生成BSP及VxWorks系統的啟動流程做一簡單介紹。VxWorks主機工具與目標記交互關系如圖2所示。
圖2 VxWorks主機工具與目標機交互關系
(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的文件復制到all486目錄，在all486目錄下做自己的修改。
正確理解四個地址的含義，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應用在存儲器低端定位開始的地址。
上述地址根據目標機實際的硬件情況進行設置，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
…
同時屏蔽掉與網絡相關的組件。
(4)生成bootrom和VxWorks映像。在生成bootrom時，可在Tornado的集成環境下Build菜單中選擇Build Boot ROM來創建指定類型的Boot ROM。在生成VxWorks映像時，可在Tornado的集成環境下Build菜單中選擇standard BSP Builds來生成VxWorks映像。此外，也可以在命令行環境下利用Makefile創建各種映像類型。
根據bootCongfig.c中的說明，我們的在config.h中的設置使能了虛擬控制臺，所以bootrom啟動后，我們在Tornado開發環境中，通過選中configure target server的target server property中的console and redirection項，啟動虛擬控制臺。這樣在虛擬控制臺可以看到啟動信息，且按下 “@” 之后開始加載 VxWorks image。
4.2基于VxWorks的應用程序的加載
應用程序運行于VxWorks操作系統上。對于已存在的應用程序，VxWorks主要通過兩種方式添加。一類是可下載的應用程序；一類是可啟動的應用程序。
一個可下載的應用程序包含一個或多個目標對象模塊，這些模塊可以下載和動態鏈接到VxWorks，并從shell或調試器中啟動[4]。即允許目標模塊裝載到一個運行的系統中。通過創建一個可下載的工程，構建該工程，使用適當的映像啟動目標。下載工程所產生的部分鏈接和變換的.out文件。
一個可啟動的應用程序包含一個鏈接到VxWorks映像的應用程序[4]。目標機啟動時，可啟動的應用程序開始運行。通過創建一個可啟動的工程添加應用程序文件，然后編輯VxWorks初始化文件usrAppInit.c，為應用程序的初始化和啟動工程添加調用。
5 結束語
VxWorks以其良好的性能和持續發展能力在各種高精尖技術及實時性要求極高的領域得到了越來越廣泛的應用，同時希望能將其移植到更多的硬件平臺上。本文對基于VxWorks的BSP進行了分析，并在實際工程中得到了實現。但是針對不通的CPU板，BSP的實現不同，需根據具體的硬件板進行具體設計，這是嵌入式設計的難點所在。