嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks入門(mén)

作者：時(shí)間：2010-12-27 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 F-16、FA-18 戰斗機、B-2隱形轟炸機和愛(ài)國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。VxWorks原先對中國區禁止銷(xiāo)售，自解禁以來(lái)，在我們的軍事、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用。

VxWorks的實(shí)時(shí)性體現在能于限定的時(shí)間內執行完所規定的功能，并能在限定的時(shí)間內對外部的異步事件作出響應。因此，實(shí)時(shí)性系統主要應用于過(guò)程控制、數據采集、通信、多媒體信息處理等對時(shí)間敏感的場(chǎng)合。本文將對這個(gè)操作系統進(jìn)行一個(gè)入門(mén)級的、全面的介紹。為力求展示其全貌，全文共分五章：

(1)搭建VxWorks嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境;

(2)簡(jiǎn)要介紹VxWorks的基本組成，內核的基本結構;

(3)概述VxWorks板級支持包(BSP)的概念及VxWorks的啟動(dòng)過(guò)程;

(4)介紹VxWorks設備驅動(dòng)的架構及編寫(xiě)方法;

(5)指明VxWorks應用開(kāi)發(fā)的思路，任務(wù)調度及任務(wù)同步、中斷與任務(wù)的同步機制。

以上各章中將貫穿著(zhù)許多實(shí)例，由于本文定位于入門(mén)級教程，所以文中的實(shí)例都將十分簡(jiǎn)單。下面我們進(jìn)入第一章內容的講解。

嵌入式系統的調試方法一般為通過(guò)PC(宿主機)上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境交叉編譯針對特定電路板(目標機)的程序，然后將程序通過(guò)目標板的JTAG、串口或網(wǎng)口等途徑下載到目標板上運行。因此，為了構造一個(gè)嵌入式系統的學(xué)習環(huán)境，擁有一塊包含CPU、存儲器及I/O電路(構造計算機系統)的目標電路板往往是必要的。雖然許多集成開(kāi)發(fā)環(huán)境附帶模擬軟件，但僅限于指令集的模擬，均無(wú)法模擬物理的目標機硬件平臺，因而在其上只能進(jìn)行應用程序的象征性模擬開(kāi)發(fā)。但是，并非所有人都能擁有一塊物理的電路板。在這種情況下，我們如何構造一個(gè)模擬的開(kāi)發(fā)環(huán)境，其學(xué)習效果就如同擁有完全真實(shí)的電路板一樣呢?本文試圖解答此問(wèn)題，主體內容包括四個(gè)方面：

(1) 利用VMware等軟件模擬真實(shí)的目標機;

(2) 構建VMware虛擬PC上VxWorks BSP，建立Bootrom和OS映像;

(3) 修改Tornado相關(guān)設置，連接宿主機與目標機，建立調試通道;

(4) 寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的應用程序并下載到目標系統運行。

　
　圖1 嵌入式系統的調試

本章工作的最終目標為：

(1)VxWorks在VMware啟動(dòng)成功并順利運行，如圖2;

　圖2 在VMware中運行的VxWorks

　 (2)可在Tornado上針對目標板編譯程序并進(jìn)行調試，如圖3。

　
　圖3 與目標機建立調試通道的Tornado

1. 模擬目標機

PC也具有目標機的所有特點(diǎn)，實(shí)際上，我們可以把PC作為嵌入式系統的目標機，從而構造如圖4所示的開(kāi)發(fā)模型：

　圖4 PC作為目標機

很遺憾，這種方法實(shí)際上非常麻煩，同時(shí)開(kāi)動(dòng)兩臺PC進(jìn)行調試將使你和你的室友飽受折磨，既然他如此地熱切于游戲和上網(wǎng)。因此，我們可以借助VMware來(lái)在本機上虛擬出另一PC。

VMware的確是天才的作品!在同一PC上，利用VMware幾乎可以安裝所有的操作系統，而且操作系統之間的切換不需要重新啟動(dòng)電腦。VM的意義是Virtual Machine，即虛擬出一個(gè)邏輯的電腦，它可以提供基于Intel CPU的虛擬PC系統環(huán)境，包括CPU、內存、BIOS、硬盤(pán)和其他外圍硬件設備。

下面我們講解用VMware來(lái)建立一臺虛擬PC的步驟：

(1)并安裝VMware;

(2)使用VMware向導建立一個(gè)針對VxWorks的虛擬機;

此步驟中注意在操作系統中選擇“other”，如圖5：

由于目標機最終通過(guò)軟盤(pán)啟動(dòng)，因此要求你的電腦具有軟驅。很遺憾，當年日常使用的軟盤(pán)如今成了古董，很少再有電腦配備軟驅。因此，我們再來(lái)制造一個(gè)假冒偽劣產(chǎn)品，虛擬一個(gè)軟驅。又一個(gè)天才的工具軟件RamDiskNT為我們提供了這一便利，圖6演示了用RamDiskNT虛擬一個(gè)1.44M軟盤(pán)的方法。

僅僅虛擬一個(gè)軟驅是不夠的，把這個(gè)軟驅添加到我們建立的虛擬機中才算修成正果，圖7演示了添加軟驅后的虛擬機硬件設置。

　
　圖7 包含軟驅的虛擬機

2. 構造BSP

2.1下載和編譯網(wǎng)卡驅動(dòng)

VMware為運行于其上的操作系統提供虛擬網(wǎng)卡支持，該網(wǎng)卡類(lèi)型即為AMD的PC-NET，在Tornado開(kāi)發(fā)包中已經(jīng)包含了該類(lèi)型網(wǎng)卡的驅動(dòng)程序，但經(jīng)過(guò)，在VMware環(huán)境中該驅動(dòng)無(wú)法正常工作，所以可從AMD的網(wǎng)站上下載最新的驅動(dòng)程序。下載得到的是一個(gè)可執行的安裝程序，運行該程序將得到一個(gè)壓縮包和一個(gè)幫助文件，按照該幫助的要求，將壓縮包直接釋放到Tornado目錄下。如果提示是否允許覆蓋文件，則選擇允許。

此后按如下步驟完成驅動(dòng)程序的編譯和替換：

(1)打開(kāi)一個(gè)控制臺窗口，運行批處理程序：

C:tornado2.2hostx86-win32bintorVars.bat;

該批處理文件用于設置環(huán)境變量，其內容為：

rem Command line build environments

set WIND_HOST_TYPE=x86-win32

set WIND_BASE=C:Tornado2.2

set PATH=%WIND_BASE%host%WIND_HOST_TYPE%bin;%PATH%

如果沒(méi)有設置成功，可以手工設置這些環(huán)境變量。

(2)定位到C:tornado2.2targetsrcdrvend目錄，運行：

make CPU=PENTIUM tool=gnu ln97xend.o

(3)定位到C:tornado2.2targetlibpentiumPENTIUMcommon目錄，并將上一步生成的文件ln97xend.o復制到此目錄下。備份此目錄下的文件libdrv.a;

(4)運行命令arpentium -d libdrv.a ln97xEnd.o，刪除libdrv.a中原有的ln97xEnd模塊;

(5)運行命令arpentium -ra iOlicomEnd.o libdrv.a ln97xEnd.o將我們剛剛創(chuàng )建的新ln97xEnd模塊添加進(jìn)去。

2.2修改配置文件

我們要修改編譯VxWorks的配置頭文件Config.h中定義的一些參數，使編譯出來(lái)的系統引導程序和VxWorks的映象符合我們的要求;同時(shí)還要修改sysLn97xEnd.c這個(gè)文件，以使系統的網(wǎng)絡(luò )功能正常運行。

(1)定位到目錄C:tornado2.2targetconfigpcPentium并打開(kāi)該目錄下Config.h文件;

(2)查找到定義DEFAULT_BOOT_LINE宏的地方，修改預處理條件CPU == PENTIUM分支下的定義如下：

#define DEFAULT_BOOT_LINE

"lnPci(0,0)your_host_name:d:\VxWorks h=192.168.80.169 e=192.168.80.254 u=target pw=VxWorks tn=target"

其中：

lnPci(0,0)指定了使用第0個(gè)網(wǎng)卡和第0個(gè)處理器，lnPci這個(gè)標識會(huì )因為使用的驅動(dòng)程序不同而有所不同，但這里用lnPci就可以了;
host指定你的主機的名字，使用host就可以;
d:\VxWorks指定了VxWorks映象下載的完整路徑(后面會(huì )有說(shuō)明);
h=192.168.80.169是宿主機的IP地址，可以根據實(shí)際情況修改;
e=192.168.80.254是目標機的IP地址，可以根據實(shí)際情況修改;
u=target指定了FTP的用戶(hù)名，這個(gè)FTP就是用來(lái)下載VxWorks映象的;
pw=VxWorks是FTP與用戶(hù)名target對應的密碼;
tn=target指定目標機的名字，任意指定即可。

(3)指定網(wǎng)卡驅動(dòng)程序

首先定位到“Network driver options”這段文字，保證INCLUDE_END和INCLUDE_LN_97X_END這兩個(gè)宏處于定義狀態(tài)(define)，其他的宏都處于未定義狀態(tài)(undef)，即：

以下是引用片段：
　　/* Network driver options */
　　#define INCLUDE_END /* Enhanced Network Driver Support */
　　#undef INCLUDE_DEC21X40_END /* (END) DEC 21x4x PCI interface */
　　#undef INCLUDE_EL_3C90X_END /* (END) 3Com Fast EtherLink XL PCI */
　　#undef INCLUDE_ELT_3C509_END /* (END) 3Com EtherLink III interface */
　　#undef INCLUDE_ENE_END /* (END) Eagle/Novell NE2000 interface */
　　#undef INCLUDE_FEI_END /* (END) Intel 8255[7/8/9] PCI interface */
　　#undef INCLUDE_GEI8254X_END /* (END) Intel 82543/82544 PCI interface */
　　#define INCLUDE_LN_97X_END /* (END) AMD 79C97x PCI interface */
　　#undef INCLUDE_ULTRA_END /* (END) SMC Elite16 Ultra interface */
　　#undef INCLUDE_BSD /* BSD / Netif Driver Support (Deprecated) */
　　#undef INCLUDE_EEX /* (BSD) Intel EtherExpress interface */
　　#undef INCLUDE_EEX32 /* (BSD) Intel EtherExpress flash 32 */
　　#undef INCLUDE_ELC /* (BSD) SMC Elite16 interface */
　　#undef INCLUDE_ESMC /* (BSD) SMC 91c9x Ethernet interface */

　(4)包含PC_CONSOLE

缺省情況下，VxWorks系統是不接受外部輸入設備(如鍵盤(pán))的輸入，也不向外部輸出設備(如顯示器)輸出數據。為了便于調試，我們必須改變它的這種缺省狀態(tài)，包含對PC控制臺的支持。查找定位宏INCLUDE_PC_CONSOLE，保證其處于定義狀態(tài)(define)即可，即：

以下是引用片段：
　　#define INCLUDE_PC_CONSOLE /* PC keyboard and VGA console */
　　#ifdef INCLUDE_PC_CONSOLE
　　# define PC_CONSOLE (0) /* console number */
　　# define N_VIRTUAL_CONSOLES (2) /* shell / application */
　　#endif /* INCLUDE_PC_CONSOLE */

　(5)修改sysLn97xEnd.c

打開(kāi)C:tornado2.2targetconfigpcPentium目錄下的sysLn97xEnd.c文件，先定位到“memory-mapped IO base”這段文字，然后將其前面的參數由pciRsrc[endUnit].bar[1]修改為NONE，保存即可，即：

以下是引用片段：
　　sprintf (paramStr, paramTemplate,
　　endUnit, /* END unit number */
　　NONE, /* memory-mapped IO base */
　　pciRsrc[endUnit].bar[0], /* IO address space base */
　　PCI2DRAM_BASE_ADRS, /* host PCI mem. base */
　　pciRsrc[endUnit].irqvec, /* IRQ vector */
　　pciRsrc[endUnit].irq, /* IRQ number */
　　LN97X_CSR3_VALUE, /* csr3 register value */
　　LN97X_OFFS_VALUE, /* offset */
　　LN97X_RSVD_FLAGS, /* flags (reserved) */
　　ln97xStrDesc[typeIdx] /* device description */
　　);

[next]

　2.3 編譯Bootrom和VxWorks映像

編譯Bootrom

打開(kāi)Tornado開(kāi)發(fā)工具，在Build菜單下選擇Build Boot ROM，選擇BSP為pcPentium，image類(lèi)型為bootrom，工具為gnu，如圖8。點(diǎn)擊OK，Bootrom就會(huì )編譯。

　編譯VxWorks映像

編譯生成bootrom后，還要創(chuàng )建一個(gè)VxWorks映象(image)，也就是VxWorks操作系統本身的代碼，步驟為：

(1) 創(chuàng )建一個(gè)“bootable VxWorks image”的工程，BSP 選擇pentium;

　(2) 選擇需要的VxWorks組件

如圖10，在這個(gè)例子中我們需要包括兩個(gè)重要的組件：Telnet server 和 Target shell。前者使我們可以通過(guò)Telnet登錄到VxWorks操作系統中;后者則可以讓我們通過(guò)命令行控制VxWorks系統。另外，需要把所有相關(guān)的選項都包含進(jìn)去。

完成選擇后，即可開(kāi)始編譯程序。到此我們已經(jīng)生成了VxWorks的系統引導程序和運行時(shí)的代碼映象。在每次修改完系統的配置信息(如：config.h)后，都要重新創(chuàng )建一個(gè)工程來(lái)編譯VxWorks映象。將生成的名為“VxWorks”的文件復制到D:下。這個(gè)路徑是由上面我們所設置的DEFAULT_BOOT_LINE宏中的路徑參數決定的，必須保持二者一致。

2.4 創(chuàng )建引導軟盤(pán)

由于目標機從軟盤(pán)啟動(dòng)，我們需要制作VxWorks引導磁盤(pán)，用于引導VxWorks操作系統映象。定位到C:tornado2.2targetconfigpcPentium目錄，插入已經(jīng)格式化好的軟盤(pán)，運行：

mkboot a: bootrom

該命令將在軟盤(pán)上建立VxWorks系統引導分區，并將引導程序復制到軟盤(pán)上。

3. 建立調試環(huán)境

3.1配置FTP服務(wù)器

宿主機上的FTP服務(wù)器用于在系統成功引導后，下載VxWorks的運行時(shí)映象，最好使用Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境自帶的FTP服務(wù)軟件。

如圖11，打開(kāi)Tornado FTP Server，選擇“Security”菜單下的“Users/Rights”子菜單，創(chuàng )建User Name為“target”，修改“Home Directory”為“D:”(即DEFAULT_BOOT_LINE參數中所指定VxWorks映像目錄)，修改用戶(hù)名為“target”，對應密碼為“VxWorks”，點(diǎn)擊“Done”按鈕完成修改，FTP服務(wù)就啟動(dòng)了。

　為了便于觀(guān)察引導程序是否從FTP上下載了VxWorks映像，最好打開(kāi)FTP Server的日志功能。選擇“Logging”菜單下的“Logging Options”子菜單，其中除了“Winsock Calls”外，讓其他選項全都處于開(kāi)啟狀態(tài)。保持FTP Server窗口處于打開(kāi)狀態(tài)，即保證FTP服務(wù)器處于運行狀態(tài)。

虛擬機從軟盤(pán)啟動(dòng)，接下來(lái)會(huì )下載服務(wù)器上的D:VxWorks映像，服務(wù)器的FTP會(huì )有相關(guān)的log，如圖12：

　圖12 FTP服務(wù)器

3.2 配置target server

如圖13，打開(kāi)您的Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境，選擇“Tools->Target Server->Configure”菜單，在“Description”中任意填寫(xiě)一個(gè)名字，這里是“net00”;在“Available Back”中選擇“wdbrpc”，并在下面的IP地址框中填寫(xiě)目標機的IP地址，這里是“192.168.80.254”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定);將“Target Server Properties”下拉框更改至“Core File and Symbols”，并在“File Path”一項中選擇您的映象的完整路徑，這里是“D:VxWorks”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定)。

圖13 配置Target Server

完成以上兩項配置，如果目標機已經(jīng)啟動(dòng)，點(diǎn)擊“Launch”按鈕，就可以啟動(dòng)Target Server了。

再回到Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境，在工具條上的Target Server下拉框列表中選擇“192.168.80.169@host”。這時(shí)您會(huì )發(fā)現工具條中一些原先處于“禁用”狀態(tài)的工具按鈕，現在都已經(jīng)處于“激活”狀態(tài)了。

試一試，我們打開(kāi)TShell，并運行“i”命令察看目標機上當前運行的任務(wù)，效果如圖14：

　
　圖14 在TShell中運行命令