eCos和在ARM上的驱动与应用开发

eCos和在ARM上的驱动与应用开发一、eCos系统介绍摘要:简单介绍eCos的体系结构，详细论述eCos的可配置机制的实现原理，重点介绍eCos在以AT91M55800为核心的ARM7硬件平台上的移植步骤，结合本系统简要介绍内核的配置方法。最后给出了基于eCos应用软件的编写方法。eCos(EmbeddedConfigurableOperatingSystem)最初是由CygnusSolutions公司为面向嵌入式领域而开发的源码公开、具有很强的可移植性和可配置性的，适合于深度嵌入式开发的实时操作系统。现在eCos主要由eCosCentric公司和eCos开源社区共同开发维护。eCos的特性，特别是它的可配置性，能有效缩短嵌入式产品的开发周期并降低成本。1eCos的体系结构及可配置性1.1eCos体系结构eCos采用模块化设计，将不同功能的软件分成不同的组件，使其分别位于系统的不同层次。这种层次结构实现了eCos的可配置性、可移植性、兼容性和可扩展性。图1是eCos系统的层次结构框图。硬件抽象层（HAL）使其上层次结构不必关心具体的硬件结构，因此只需对HAL进行修改就可以使整个eCos的应用移植到新的硬件平台上。图1eCos的层次结构框图内核是eCos的一个核心组件，也是系统的一个可选组件，一些较为复杂的应用需要内核的支持。内核提供了多个可供选择的调度算法，可以很好地支持多任务处理。eCos内核提供了一组丰富的同步源语，完全能满足各种嵌入式应用的需求。内核还负责对中断和例外进行处理，它的中断滞后处理机制保证了系统的实时性。此外，内核还具有内存分配机制和定时机制，并提供多线程GDB调试支持。内核为上层软件和应用软件提供了丰富的API接口函数。RedBoot是一个无内核的系统引导程序，是eCos的一个特殊应用。RedBoot可以加载eCos应用程序，并提供Debug支持，是开发eCos系统时非常有用的工具。设备驱动程序负责对硬件设备进行控制和管理，并完成设备数据的读/写操作。设备驱动程序自身也采用层次结构，上层驱动程序（相当于一个虚设备）可以调用下层驱动程序（物理设备）。驱动程序为上层软件提供标准的API函数，应用程序可以使用这些API函数对设备进行访问。eCos包含的网络支持包支持完整的TCP/IP网络协议栈。eCos还提供了标准库（ANSIC库和数学库）、兼容层（POSIX兼容和uITRON兼容）、文件系统等。作为一种开放软件，eCos还可以很方便地容纳第三方软件。1.2可配置性原理eCos的一个主要特性就是其可配置特性。可配置性最终是靠代码中的条件编译来完成的，条件编译是编程语言的特点，并不是eCos的原创。当一个软件工程中的条件编译项的数目和复杂性达到一定程度时，其中有一些条件编译项就会因为存在逻辑上的依赖关系而使条件编译产生冲突。而如何发现并有效解决这种冲突才是eCos可配置性的特点，如图2所示，其可配置特性的实现主要由组件定义语言CDL(ComponentDefinitionLanguage)、组件仓库ecos.db、图形配置工具configtool三者共同完成。图2可配置机制（1）组件定义语言CDLCDL是eCos组件框架中的一个关键部分，eCos所有模块的程序包中都包含一个CDL脚本对该包进行描述并提供配置选项。以本系统中的串口驱动程序包为例，在该包对应的CDL中定义了一个名为CYGPKG_IO_SERIAL_ARM_AT91的cdl_package。在这个cdl_package中详细列出了该包的一些属性，如该包必须在工程已经包含了硬件抽象层包CYGPKG_HAL_ARM_AT91和上层串口I/O包CYGPKG_IO_SERIAL的情况下才会被使能。另外，串口的一些常用特性，如波特率、设备名、缓冲区大小等配置选项也是必不可少的。在一些复杂的CDL中还会包含对该包中的源程序进行编译时的一些编译选项。在进行配置的时候，该包还会产生一个包含了各个可配置参数数值的头文件。当其他包使用由CYGPKG_IO_SERIAL_ARM_AT91包提供的可配置参数时，这个新产生的头文件就会被相关的源文件通过#include语法包含。（2）组件仓库ecos.dbecos.db是一个包含了所有可用程序包和配置模版的文本文件。在该文件中，需要注册所有的CDL包。在注册时以package关键字提供相应包的名称、CDL脚本文件的文件路径以及对该包的一个简单描述。在ecos.db中还会以target关键字生成配置模版，从而提供目标平台的一些基本组成结构，使目标平台包括所需要的已经注册了的CDL配置包。（3）图形配置工具configtoolconfigtool是利用MFC编写的Windows程序，是eCos可配置性的执行者，也可以理解成是CDL脚本的解释器。一方面它读取ecos.db文件中的目标平台和已注册的配置包信息，根据配置包的路径找到相应的CDL脚本，然后根据脚本中给出的属性向程序员提供图形化的配置信息；另一方面，它还可以接受用户的输入，包括单选按钮、复选框、下拉列表、文本输入等。当用户保存一个配置时，configtool会根据CDL语言的提示生成相应的头文件，也会将指定的头文件从配置包中复制到配置文件所在的工作目录。无论是生成的头文件还是拷贝的头文件，都会在编译时被源程序所引用。对于内核源程序，configtool又可以理解成编译器。当用户的配置选项被保存并且对工程进行编译时，configtool会在后台调用真正的编译器GCC，根据配置包CDL中的编译选项控制GCC对所有需要的内核源文件进行编译并生成库文件和对应的链接脚本。当然configtool只是对eCos内核进行编译，用户的应用程序只需在编译时和由configtool编译生成的库文件进行链接就可以得到最终的可执行映像文件。2eCos内核的移植2.1内核移植关键例如系统是一个以ARM7为核心构成的测控系统，通过对传感器的脉冲信号进行处理而得到待测物料的流量，并通过控制给料器的给料速度达到流量控制的目的。对于一个有实用价值的测控系统，必须具有人机交互、闭环控制、数据通信和存储等功能。本课题所研制的流量测控系统的硬件框图如图所示。由于eCos内核采用了可配置的模块化设计思想，因此只要修改硬件抽象层HAL的代码和CDL脚本并且在ecos.db中注册就可以应用于新的目标系统。HAL又可以细分为3个层次：①体系结构抽象层。eCos是可以应用于多种体系结构平台上的操作系统，如ARM、MIPS、POWERPC等，在eCos发布时已经将这些体系结构层的移植包一同发布了出来。本系统的体系结构抽象层是ARM7体系结构抽象层。②变体抽象层。对于同一种体系结构的处理器，各生产厂家会有不同的系列和型号（如Atmel的AT91系列、Philips的LPC系列等)，虽然它们都采用ARM7体系结构,但是不同的寄存器配置模式和中断处理方法也会影响到eCos的移植。本系统所使用的处理器AT91M55800使用较为普遍，在eCos开源社区已经有移植好的AT91M55800变体抽象层的代码和CDL脚本，只需作系统启动后对I/O口的赋值情况等少许的改动即可完成对变体抽象层的移植。③平台抽象层。平台抽象层是对目标系统的整个硬件平台进行抽象，包括平台的启动、芯片配置、定时、I/O寄存器及中断寄存等等。系统需要进行的移植工作主要是平台抽象层的移植，而平台抽象层中最重要的是Flash驱动包和内存布局文件的移植。主要的步骤为：①安装AT91M55800变体抽象层包。从eCos开源社区下载好的变体抽象层包在一个名为eb55的文件夹中，在这个文件夹中还有cdl、include、src等子文件夹分别包含了CDL脚本、头文件，源文件。由于eCos的软件包有严格的层次结构，所以在安装软件包时应遵循这一结构以便于维护。AT91M55800属于ARM7的一个变体，同AT91系列的其他CPU处于同一层次，所以变体抽象层软件包文件夹eb55的具体路径应为/hal/arm/at91/eb55。接下来还应在ecos.db中注册变体抽象层包，以package关键字注册名为CYGPKG_HAL_ARM_AT91_EB55的包，这个名字必须和包中CDL文件hal_arm_at91_eb55.cdl中的所定义的包名完全一致。在包名后面的花括号中登记hal_arm_at91_eb55.cdl文件的路径及文件名，以及对该包的简单文字说明。②编写Flash的底层驱动软件包，以便能够操作目标系统的Flash存储器。由于本系统在前期调试和代码固化时利用了RedBoot，而RedBoot通过Flash驱动程序操作目标Flash，所以必须先移植好Flash驱动程序才能进行更进一步的开发工作。首先需要编写底层驱动程序源文件。不同的Flash的块空间大小以及写操作一般是不一样的。本系统所用的FlashSST39VF160是2MB的16位NORFlash，共有512(0x200)个块空间，其块大小为4K(0x1000)，写操作的命令码符合JEDEC标准。这些特点与Atmel公司AT49系列Flash比较类似，因此Flash驱动程序可以从eCos发布时自带的AT49系列Flash的驱动程序修改得到。最重要的地方是修改描述Flash特性的结构体flash_dev_info_t变量中成员block_size和block_count的值，使其分别为0x1000和0x200。接下来需要编写与Flash底层驱动对应CDL脚本，使配置工具configtool能够正确配置编译Flash驱动程序。这个CDL文件完全可以参照AT49驱动包中的CDL文件编写。以cdl_package关键字定义名为CYGPKG_DEVS_Flash_SST_39VF160的包，在命令体中给出具体的配置参数。由于底层驱动包必须结合上层驱动才能工作，所以在命令体中用active_ifCYGPKG_IO_Flash命令告诉configtool,必须在上层驱动包CYGPKG_IO_Flash已经被包含的情况下底层驱动包才会使能。最后，需要在ecos.db中注册底层驱动软件包。具体做法和变体抽象层包的注册方法相同。③修改内存布局文件，使configtool能够正确定位程序在系统存储器中的位置。eCos提供3种不同的运行方式,即ROM方式、RAM方式、ROMRAM方式。每种模式都有两个相应的布局文件，如RAM方式的mlt_arm_at91_eb55_ram.ldi和mlt_arm_at91_eb55_ram.h。*.ldi和常见的ARM开发环境ADS中scattered链接方式下的*.scf文件的作用类似，即用来对不同段分别指定不同的链接地址。在*.ldi中需要修改MEMORY和SECTI*两部分。对于代码在RAM中运行的内核及应用程序，需要根据系统RAM的实际情况修改内存布局文件中相关参数的值。本系统具有1MB的RAM，但有一半用来存放测量数据，根据系统实际的硬件情况，其起始地址为0x02000000，大小为0x80000，所以这个内存块定义为ram:RIGIN=0x02000000,LENGTH=0x80000。处理器内部集成了8KBSRAM，其起始地址为0，大小为0x2000，所以这个内存块定义为sram:RIGIN=0x00000000,LENGTH=0x2000。这样系统的MEMORY部分就由名为ram和sram的两个内存块构成。系统比较重要的两处SECTI*部分的修改为SECTION_fixed_vectors(sram,0x20,LMA_EQ_VMA)和SECTION_rom_vectors(ram,0x02008000,LMA_EQ_VMA)，第一处表示fixed_vectors段分配在从0x20开始的sram中，且LMA_EQ_VMA指定其加载地址等于虚拟地址。由于RedBoot运行时需要占用从0x02000000开始的一定空间的RAM，所以第二处使程序代码从0x02008000开始的ram中运行。