如何構建eCos嵌入式系統

摘要 eCos是一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。eCos的體系結構是一種分層結構，硬件抽象層將操作系統與硬件隔離開(kāi)，這為把eCos移植到不同的硬件平臺提供了便捷的方法，抽象層就像軟件與硬件之間的橋梁。主要的移植思想是，按照eCos的模塊化設計，完成硬件抽象層。
關(guān)鍵詞 eCos 移植 硬件抽象層 嵌入式 可配置操作系統

引言

　　目前，嵌入式操作系統的種類(lèi)較多，其中比較流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。這些嵌入式操作系統在開(kāi)放性、實(shí)用性以及性能等方面各有千秋，但大多數為商用產(chǎn)品。除了商用產(chǎn)品外，還有一些免費的嵌入式操作系統，uClinux是其中比較流行的，而eCos則是另一個(gè)選擇。嵌入式可配置操作系統eCos（Embedded Configureable Operating System）的特點(diǎn)是可配置性、可裁減性、可移植性和實(shí)時(shí)性。它的一個(gè)主要技術(shù)特色就是功能強大的配置系統，可以在源碼級實(shí)現對系統的配置和裁減。與Linux的配置和裁減相比，eCos的配置方法更清晰、更方便；且系統層次也比Linux清晰明了，移植和增加驅動(dòng)模塊更加容易。正是由于這些特性，eCos引起了越來(lái)越多的關(guān)注，同時(shí)也吸引越來(lái)越多的廠(chǎng)家使用eCos開(kāi)發(fā)其新一代嵌入式產(chǎn)品。

　　eCos現在由Red Hat維護，可支持的處理器包括：ARM、StrongARM、XScale、SuperH、Intel X86、PowerPC、MIPS、AM3X、Motorola 68/Coldfire、SPARC、Hitachi H8/300H和NEC V850等。源代碼及開(kāi)發(fā)工具可在Red Hat的網(wǎng)站上免費下載，網(wǎng)頁(yè)地址是http:/sources.redhat.com/ecos。

1 eCos的層次結構

　　eCos采用模塊化設計，由不同的功能組件構成，eCos系統的層次結構如圖1所示。

　　這種層次結構的最底層是硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer），簡(jiǎn)稱(chēng)為HAL，它負責對目標系統硬件平臺進(jìn)行操作和控制，包括對中斷和例外的處理，為上層軟件提供硬件操作接口。只需提供新硬件的抽象層，就可以將整個(gè)eCos系統包括基于eCos的應用移植到新的硬件平臺上。

2 構建eCos系統　

　　構建eCos系統首先要搭建自己的硬件抽象層，然后創(chuàng )建驅動(dòng)程序，之后就可以編制應用程序了。

3 硬件抽象層的移植

　　硬件抽象層分為三個(gè)不同的子模塊：體系結構抽象層（Architecture HAL）、變體抽象層（Variant HAL）和平臺抽象層（Platform HAL）。

　　體系結構抽象層。eCos所支持的不同處理器系列具有不同的體系結構，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等。體系結構抽象層對CPU的基本結構進(jìn)行抽象和定義，此外它還包括中斷的交付處理、上下文切換、CPU啟動(dòng)以及該類(lèi)處理器結構的指令系統等。

　　變體抽象層指的是處理器在該處理器系列中所具有的特殊性，這些特殊性包括Cache、MMU、FPU等。eCos的變體抽象層就是對這些特殊性進(jìn)行抽象和封裝。

圖1

　　平臺抽象層是對當前系統的硬件平臺進(jìn)行抽象，包括平臺的啟動(dòng)、芯片選擇和配置、定時(shí)設備、I/O寄存器訪(fǎng)問(wèn)以及中斷寄存器等。

　　硬件抽象層的這三個(gè)子模塊之間沒(méi)有明顯的界線(xiàn)。對于不同的目標平臺，這種區分具有一定的模糊性。例如，MMU和Cache可能在某個(gè)平臺上屬于體系結構抽象層，而在另一個(gè)平臺上則可能屬于變體抽象層的范圍；再比如，內存和中斷控制器可能是一種片內設備而屬于變體抽象層，也可能是片外設備而屬于平臺抽象層。

　　eCos的移植通過(guò)這三個(gè)子模塊來(lái)完成，即平臺抽象層的移植、變體抽象層的移植和體系結構抽象層的移植。對一個(gè)新的體系結構來(lái)說(shuō)，其系統結構抽象層的建立相對來(lái)說(shuō)比較困難。eCos支持大部分當前廣泛使用的嵌入式CPU，已具有了支持各種體系結構的硬件抽象層。因此，eCos的移植很少需要進(jìn)行體系結構抽象層的編寫(xiě)。

4 平臺抽象層的移植

　　一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行eCos開(kāi)發(fā)時(shí)，移植的主要工作在于平臺抽象層，這是由于eCos已實(shí)現了絕大多數流行嵌入式CPU的體系結構抽象層和變體抽象層。平臺抽象層主要完成的工作包括：內存的布局、平臺早期初始化、中斷控制器以及簡(jiǎn)單串口驅動(dòng)程序等。

　　構建一個(gè)新的平臺系統，最簡(jiǎn)單的方法是利用eCos源碼提供的具有相同體系結構和CPU型號的參考平臺硬件抽象層，將其作為模板，復制并修改所有與新平臺相關(guān)的文件。若eCos沒(méi)有這樣的平臺，則可用另一種體系結構或CPU型號的類(lèi)似硬件抽象層作為模板。比如，eCos提供了以三星公司ARM CPU S3C4510b為核心的平臺SNDS4110，當需要移植eCos到ARM CPU S3C44B0上時(shí)，這將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

　　 移植工作最好是從RedBoot開(kāi)始，實(shí)現的第一個(gè)目標是使RedBoot運行在新平臺上。RedBoot是eCos自帶的啟動(dòng)代碼，它比eCos要簡(jiǎn)單，沒(méi)有使用中斷和線(xiàn)程機制，但包含了大部分最基本的功能。

　　 建立目標平臺的RedBoot通常按以下步驟進(jìn)行（以構建S3C44b0的新平臺為例）。

　　 ① 復制eCos源碼中選定的參考平臺，根據需要對目錄及文件更名。更名的主要內容有：新平臺的目錄名、組件定義文件（CDL）、內存布局文件（MLT）、平臺初始化的源文件和頭文件
　　 ② 調整組件定義文件（CDL）選項。包括選項的名字、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計數器、CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 變量、串口參數以及其他的一些選項。
　　 ③ 在頂層ecos.db文件中加入所需要的包，并增加對目標平臺的描述。在最初，該目標平臺的入口可以只包含硬件抽象層包，其他硬件支持包以后再加入。經(jīng)過(guò)修改后，就可在eCos配置程序中選擇新的平臺進(jìn)行配置。
　　 ④ 修改include/pkgconf中的內存布局（MLT）文件。按照新的硬件平臺內存布局修改MLT文件。MLT文件對應每種啟動(dòng)類(lèi)型有三個(gè)不同后綴的文件：.h文件以及.ldi文件和mlt文件。手工修改時(shí)只需修改.h文件和.ldi文件，并保證兩個(gè)文件同步修改。修改的主要內容有ROM的起始地址、ROM的大小、RAM的起始地址和RAM的大小。
　　 ⑤ 修改平臺的io宏定義。在include/plt_io.h文件中完成對平臺的各種IO宏定義，包括各種CPU的系統配置寄存器、內存配置寄存器、串口配置寄存器、LCD配置寄存器、以太網(wǎng)配置寄存器等的I/O地址。
　　 ⑥ 修改平臺的Cache代碼。在include/hal_cache.h文件中修改有關(guān)Cache的宏定義。在開(kāi)發(fā)初期，最好先將Cache關(guān)閉，等移植穩定后再打開(kāi)。
　　 ⑦ 實(shí)現簡(jiǎn)單的串口驅動(dòng)程序。串口的初始化、接收和發(fā)送在src/hal_diag.c文件完成。主要的函數如下：
　　cyg_hal_plf_serial_init_channel()，完成對某個(gè)串口的具體初始化工作；
　　cyg_hal_plf_serial_putc()，從串口發(fā)送一個(gè)字符；
　　cyg_hal_plf_serial_getc()，從串口接收一個(gè)字符；
　　cyg_hal_plf_serial_getc_nonblock()，以無(wú)阻塞的方式接收一個(gè)字符，即緩沖區中無(wú)數據時(shí)立即返回；
　　cyg_hal_plf_serial_isr()，串口中斷服務(wù)程序；
　　cyg_hal_plf_serial_init()，調用cyg_hal_plf_serial_init_channel()函數初始化各串口，并向內核注冊串口中斷服務(wù)程序、串口的讀寫(xiě)例程和配置例程。
　　 ⑧ 修改或增加平臺初始化程序。平臺初始化在3個(gè)文件文件中完成：src/s3c44b0_misc.c、include/hal_platform_setup.h和include/hal_platform_ints.h。
　　hal_platform_ints.h完成系統的中斷宏定義。在不同的平臺中設備數量和類(lèi)型不同，中斷的譯碼方式也不一致，需要根據具體情況作出調整。
　　hal_platform_setup.h主要完成系統硬件的初步配置，這里一般要在看門(mén)狗和中斷關(guān)閉后，配置系統時(shí)鐘頻率、ROM和RAM的初始化參數。
　　s3c44b0_misc.c文件完成目標板的進(jìn)一步初始化、中斷處理、延時(shí)例程和操作系統時(shí)鐘設置。

　　經(jīng)過(guò)以上修改，底層的平臺抽象層就基本完成了，這時(shí)可用eCos的配置工具生成RedBoot進(jìn)行測試。

　　RedBoot測試成功后，說(shuō)明平臺已經(jīng)能正確完成初始化操作，且串口驅動(dòng)也能正常工作，接著(zhù)要完成中斷和Cache等測試工作?？衫靡恍┒嗑€(xiàn)程的小程序測試，檢測時(shí)鐘配置是否正確，同時(shí)也檢測了中斷能否正常工作。

5 驅動(dòng)程序設計

　　平臺抽象層完成后，接著(zhù)要完成系統的設備驅動(dòng)程序。eCos設備驅動(dòng)程序的中斷模塊分為三個(gè)層次：中斷服務(wù)程序ISR、中斷滯后服務(wù)程序DSR和中斷線(xiàn)程。ISR在響應中斷時(shí)立即調用，DSR由ISR發(fā)出調用請求后調用，而中斷線(xiàn)程為驅動(dòng)程序的客戶(hù)程序。

　　硬件中斷在最短的時(shí)間內交付給ISR處理。硬件抽象層對硬件中斷源進(jìn)行譯碼并調用對應的中斷ISR。ISR可以對硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，應使ISR的處理時(shí)間盡量短。當ISR返回時(shí)，它可將自己的中斷滯后服務(wù)程序DSR放入操作系統的任務(wù)調度中，DSR可以在不妨礙調度器正常工作時(shí)安全運行。大多數情況下，DSR將在ISR執行完成后立即運行。

　　eCos設備驅動(dòng)程序一般可分為三個(gè)部分，如圖2所示。

圖2

　　eCos的所用設備驅動(dòng)程序都使用設備表入口來(lái)描述。使用宏DEVTAB_ENTRY()可生成設備表入口。其格式為：

　　DEVTAB_ENTRY(l, name, dep_name, handlers, init, lookup, priv)。

　　l：設備表入口的“C”標識符。
　　name：該設備的“C”字符串名字，在搜索設備時(shí)用到。
　　dep_name：對于一個(gè)層次設備，此參數是該設備下層設備的“C”字符串名字。
　　handlers：I/O函數句柄指針，由宏DEVIO_TABLE實(shí)現的。
　　init：當eCos處于初始化階段時(shí)被調用的函數，該函數可以進(jìn)行查找設備，對硬件進(jìn)行設置等操作。
　　lookup：當調用cyg_io_lookup()函數對該設備進(jìn)行操作時(shí)調用的函數。
　　priv：該設備驅動(dòng)程序所需的專(zhuān)用數據。
　　設備入口中的句柄handlers包含了一組設備驅動(dòng)程序接口函數，是設備函數表DEVIO_TAB的指針，DEVIO_TAB包含了一組函數的指針。設備I/O函數表通過(guò)DEVIO_TAB宏來(lái)定義，格式如下：
　　DEVIO_TABLE(l, write, read, get_config, set_config)。
　　l：改表的“C”標識符，即在DEVTAB_ENTRY中的handlers。
　　write：實(shí)現向設備傳送數據。
　　read：實(shí)現從設備讀取數據。
　　get_config：實(shí)現讀取設備配置信息。
　　set_config：實(shí)現對設備的配置操作。
　　在eCos的初始化引導過(guò)程中，對系統中的所有設備調用其相應的init()函數（即DEVTAB_ENTRY宏注冊的初始化函數），所有對設備的I/O操作通過(guò)handlers完成。
　　設備驅動(dòng)程序包含如下內容(xxx：表示某種設備)。

　　◆ 用宏定義DEVIO_TABLE設備I/O函數表。
DEVIO_TABLE(xxx_handlers, // I/O函數句柄指針
　　　　　　xxx_write, // 寫(xiě)函數
　　　　　　xxx_read, // 讀函數
　　　　　　xxx_get_config, // 讀配置
　　　　　　xxx_set_config)// 設置配置
　　◆ 用宏定義DEVTAB_ENTRY注冊設備入口。
DEVTAB_ENTRY(xxx_device, // 設備入口名
　　　　　　“/dev/xxx”, // 設備名，查找設備時(shí)用到
　　　　　　NULL,// 需用到的底層驅動(dòng)，這里為空
　　　　　　xxx_handles, // I/O函數句柄指針
　　　　　　xxx_init, // 設備初始化函數
　　　　　　xxx_lookup, // 設備搜索
　　　　　　xxx_priv)// 設備專(zhuān)用數據指針
　　◆ 完成初始化函數xxx_init。完成對硬件的初始化，調用函數cyg_drv_interrupt_create建立中斷對象，然后調用函數cyg_drv_interrupt_attach完成中斷與硬件向量的連接。
　　◆ 完成中斷服務(wù)程序。
　　◆ 完成中斷滯后服務(wù)程序。
　　◆ 若有中斷線(xiàn)程，則完成中斷線(xiàn)程。
　　◆ 完成設備搜索函數xxx_lookup。
　　◆ 完成寫(xiě)函數xxx_write。
　　◆ 完成讀函數xxx_read。
　　◆ 完成讀配置函數x xx_get_config。
　　◆ 完成設置配置函數xxx_set_config。

結論

　　經(jīng)過(guò)硬件平臺的移植和驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，就可在此基礎上開(kāi)發(fā)各種應用程序了。

　　eCos具有非常優(yōu)秀的可移植性；使用多任務(wù)搶占機制，具有最小的中斷延遲；支持嵌入式系統所需的所有同步原語(yǔ)，提供包括設備驅動(dòng)程序、內存管理、例外處理、標準C和數學(xué)庫；提供各種開(kāi)發(fā)嵌入式應用所需的工具，是開(kāi)發(fā)嵌入式系統的強有力工具。

參考文獻

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2 eCos Tutorial. Red Hat Inc, 2002
3 eCos Reference Manual. Red Hat Inc eCosCentric Ltd, 2003
4 Bart Veer, John Dallaway. The eCos Component Writer?s Guide. Red Hat Inc, 2003
5 Antony J. Massa, Embedded Software Development with eCos. Prentice Hall PTR, 2002