Windows CE OAL層的結(jié)構(gòu)與開發(fā)
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Windows CE是微軟針對嵌入式領(lǐng)域推出的一款全新的操作系統(tǒng)。之所以說它是一款全新的操作系統(tǒng)，是因為盡管Windows CE的UI非常接近其它的桌面版Windows操作系統(tǒng)，但是它的內(nèi)核完全是重新寫的，并不是任何一款桌面版Windows的精簡版本。 Windows CE是一種支持多種CPU架構(gòu)的操作系統(tǒng)，這其中包括ARM、x86、MIPS和SHx，極大地減輕了0EM開發(fā)過程中移植操作系統(tǒng)的工作量。
操作系統(tǒng)移植包含兩個層面上的工作：一個層面是CPU級的，另一個層面是板級的。CPU級的移植通常由微軟或芯片制造商來完成；板級移植則是由OEM來完成的。0AL正是0EM完成這一系統(tǒng)移植的工作核心！
1 OAL
OAL的全稱是OEM Adaption Layer，即原始設(shè)備制造商適配層。從邏輯結(jié)構(gòu)上看，它位于操作系統(tǒng)的內(nèi)核與硬件之間，是連接系統(tǒng)與硬件的樞紐；從功能上看，OAL頗似桌面機上的BIOS，具有初始化設(shè)備、引導操作系統(tǒng)以及抽象硬件功能等作用。與B10S不同的是，0AL隸屬于操作系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的一部分。從存在方式上，講OAL是一組函數(shù)的集合體，這些函數(shù)體現(xiàn)出0AL的功能，如圖1所示。
2 最小化的OAL
OAL層的首要任務(wù)是加載內(nèi)核。OAL層中為內(nèi)核的啟動作種種鋪墊的函數(shù)的集合構(gòu)成最小OAL層。我們可以由此深入0AL層，如圖2所示。
首先來看一下OS的啟動順序。
①CPU執(zhí)行引導向量，跳轉(zhuǎn)到硬件初始化代碼，即Startup函數(shù)；
②在start up函數(shù)完成最小硬件環(huán)境初始化后跳轉(zhuǎn)到KernelStart函數(shù)(當CPU為x86架構(gòu)時為Kernel Initial-ize函數(shù))，來對內(nèi)核進行初始化；
③Kernelstart函數(shù)調(diào)用OEMInitDebugSerial完成對調(diào)試串口的初始化，調(diào)用0EMInit函數(shù)來完成硬件初始化工作以及設(shè)置時鐘、中斷，調(diào)用OEMGetExtensionDRAM函數(shù)來判斷是否還有另外一塊DRAM。
至此，內(nèi)核加載完畢。由此可見，OS啟動的重中之重是Startup函數(shù)的正確加載。
2.1 Startup
Startup階段的特點是Kernel還沒有加載起來，調(diào)試工作比較困難。StartuP函數(shù)的兩大核心任務(wù)分別是把CPU初始化到一已知狀態(tài)和調(diào)用內(nèi)核初始化函數(shù)來初始化內(nèi)核。以下是Startup函數(shù)中通常包含的內(nèi)容：
①把處理器置為監(jiān)控模式；
②禁止CPU的IRQ和FIQ輸入；
③禁止內(nèi)存管理單元MMU和指令、數(shù)據(jù)Cache；
④刷新指令和數(shù)據(jù)Cache、TLB、清空寫buffr；
⑤確定啟動的原因一hard reset，wake from sleep，
GPIO reset，Watchdog reset，eboot handoff；
⑥根據(jù)目標板需要配置GPIO，比如連接LED的GPIO；
⑦配置內(nèi)存管理器，設(shè)置刷新頻率，使能時鐘；
⑧配置中斷控制器；
⑨初始化實時時鐘(RTC)為0，使能實時時鐘；
⑩設(shè)置電源管理寄存器；
⑾打開所有板級時鐘和片內(nèi)外部時鐘；
⑿取得OEMAddressTable的物理基地址并把它存在r0中；
⒀跳轉(zhuǎn)到KernelStart。
Bootloader和OAL中均包含Startup函數(shù)。它的功能大致相同，都是要初始化最小硬件環(huán)境。Bootloader是在為自己的執(zhí)行準備硬件環(huán)境，OAL則是為kernel的執(zhí)行準備硬件環(huán)境。由于這兩種硬件環(huán)境要求基本相同，所以它們的代碼也有很大部分可以相互借鑒。但應(yīng)該明白，Bootloader與OAL在物理上是獨立的，它們并不是同一段代碼。而且，如果可以確定這一硬件部分Bootloader已經(jīng)初始化過，則在OAL中不必重復(fù)。當然，前提是每次加載都要經(jīng)過Bootloader這一環(huán)節(jié)。最典型的例子就是x86 OAL中的Startup，見例程：
Naked_Startup()
{_asm
{
cli
jmp KernelInitialize
}
}
S t a r t u P執(zhí)行完畢后，跳轉(zhuǎn)至K e r n e 1 S t a r t/Kemellnitialize(x86下)。
2.2 Kernel Start
Kernel Start主要完成內(nèi)核的最小初始化并且通過調(diào)用OEMInit函數(shù)來完成板級硬件初始化。以下是ARM內(nèi)核初始化過程：
① 初始化一級頁表；
②使能MMU和cache；
③為每種工作模式使能棧(stack)；
④重新定位內(nèi)核；
⑤執(zhí)行串口調(diào)試函數(shù)；
⑥調(diào)用OEMInit；
⑦初始化內(nèi)存；
⑧執(zhí)行其它初始化。
KernelStart中用到的三個函數(shù)OEMInit ()、OEMInitDebugSerial()和OEMGetExtensionDRAM()中，OEMInit()硬件相關(guān)性較大，也最重要。(1)OEMlnit() 0EMInit的最小任務(wù)是初始化其它硬件和注冊系統(tǒng)時鐘。通常OEMInit應(yīng)該完成以下工作。
①通過設(shè)置以下值來設(shè)置中斷映射表一SYSINTR→IRQ和IRQ→SYSINTR。
②在中斷映射表中設(shè)置靜態(tài)中斷映射。
③設(shè)置KITL，但在最小化的OAL層中通常不包括KITL。
④用Init Clock配置系統(tǒng)定時器、實時時鐘、時鐘。
⑤確定系統(tǒng)時鐘的中斷源。
⑥初始化內(nèi)核時間粒度為1ms。
⑦配置中斷控制器或可編程中斷控制器(PICS)。
⑧提供調(diào)試用LED指示燈。
⑨置pWriteDedugLED=OEMWriteDedugLED。
⑩調(diào)用HookInterrupt函數(shù)來注冊中斷服務(wù)例程ISRs，以下示例說明如何處理TIMERISR硬件中斷5的中斷服務(wù)例程：
void OEMInit(void)
{...
HookInterrupt(5，TIMERISR)；//注冊定時器中斷
…
}
⑾ 清除中斷掩碼，防止初始化內(nèi)核時有中斷申請。
(2)串口調(diào)試函數(shù)
有限的調(diào)試手段是0S移植人員經(jīng)常遇到的難題。串口調(diào)試函數(shù)雖然不像以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)那樣功能強大，但仍然要比LED指示燈或數(shù)碼管要直觀得多，是調(diào)試OAL層代碼不可或缺的一組工具。這個函數(shù)組由四個函數(shù)組成，分別是0 E M I n i t D e b u g S e r i a l()、OEMReadDebugByte()、OEMWriteDebugByte()和OEMWriteDebugString()。
◇OEMInitDebugSerial()用于配置串口；
◇OEMReadDebugByte0和OEMWriteDebugByte()用于 向串口讀寫一個字節(jié)；
◇OEMWriteDebugString()用于向串口寫一個調(diào)試用字符串。
KernelStart中調(diào)用的是OEMInitDebugSerial()，完成串口初始化，為串口調(diào)試工作作好準備。
(3)OEMGetExtensionDRAM()
在最簡最小化OAL層函數(shù)中，OEMGetExtensionDRAM()并不是一個必需的函數(shù)。OEMGetExtensionDRAM()的主要功能是查詢是否存在另外一片DRAM．如果目標板上只有一片DRAM，則該函數(shù)返回FALSE。但在KernelStart通常都包含此函數(shù)。
至此，最小的OAL層已經(jīng)完畢，kernel的最基本的功能可以正常使用。骨架搭起，第一階段的任務(wù)告一段落，但是很多非常重要的功能還不完整，還不能做到物盡其用。于是需要進一步加強OAL層的功能。這種做法也是OAL層開發(fā)通常使用的方法。先完成基本功能，在基本功能確保正確無誤后，逐漸加入其它功能。循序漸進，即使出錯也很容易找到出錯的地方，便于排查。
3 加強OAL
第二階段主要目的是充分利用板上硬件資源和加強調(diào)試手段。主要包括中斷、KITL、以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)和OEMIOControl四方面內(nèi)容。我們把包含這四方面內(nèi)容的OAL層稱為加強OAL。
3.1 中 斷
外設(shè)硬件與CPU的數(shù)據(jù)交換基本上是異步進行的、最常用的中斷形式。CE的中斷處理順序如圖3所示。由圖3可知，CE的中斷實際上是由兩部分ISR和IST組成的。其中IST包含在驅(qū)動程序中，而ISR包含在OAL層中。所以，要想支持一個硬件，首先必須從0AL層為其作好準備。這個準備用兩步完成。
①創(chuàng)建中斷標識符。下面代碼節(jié)選自SAMSUNG2410的oalintr.h。中斷映射表通常位于CEVersion>Platformplatform name>INC。
#define SYSINTR USB (SYSlNTR FIRMWARE+11)
#define SYSINTR USBD (SYSlNTR_FIRMWARE+12)
② 創(chuàng)建并注冊ISR。ISR的主要任務(wù)是返回中斷標識符。ISR代碼通常位于CE Version>PlatformPlatformname>KERNELHAL下。
下面代碼節(jié)選自SAMSUNG2410的armint.c。
if(IntPendVal==INTSRC_ADC){
s2410INT.>rlNTSUBMSKl=BIT_SUB_TC；
s2410INT_>rINTMSK |=BIT_ADC；
s2410INT_>rSRCPND |=BIT_ADC；
s2410INT_>rINTPND =BIT_ADC；
return(SYSINTR_TOUCH)；
}
在中斷處理中，還有三個函數(shù)也起著至關(guān)重要的作用。它是OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()和OEMInterruptDone()。
◇OEMInterruptEnable()用于執(zhí)行允許設(shè)備產(chǎn)生中斷的硬件操作；
◇OEMInterruptDisable()禁止設(shè)備發(fā)出中斷申請；
◇OEMInterruptDone()中斷處理結(jié)束。
3.2 以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)
以太網(wǎng)口調(diào)試函數(shù)與串口調(diào)試函數(shù)相比，具有更快的速度。
◇OEMEthInit 初始化以太網(wǎng)調(diào)試口；
◇OEMEthEnableInts開以太網(wǎng)適配器中斷；
◇OEMEthDisableInts關(guān)以太網(wǎng)適配器中斷；
◇OEMEthISR 以太網(wǎng)適配器中斷服務(wù)例程；
◇OEMEthGetFrame從以太網(wǎng)調(diào)試口收數(shù)據(jù)；
◇OEMEthSendFrame從以太網(wǎng)調(diào)試口發(fā)數(shù)據(jù)；
◇OEMEthQueryClientlnfo獲取平臺相關(guān)信息；
◇OEMEthGetSecs 返回從某一特定時間開始的計時值。本函數(shù)用于處理超時。
3.3 KITL
KITL全稱為Kernel Independent TransportLayer。它的主要用途是提供更方便的調(diào)試手段，如圖4所示。KITL出現(xiàn)在Windows CE．net之后，把軟件傳輸協(xié)議與硬件傳輸層隔離開。KITL使得開發(fā)者不必了解硬件傳輸層如何與軟件協(xié)議層接口。
以下是應(yīng)該在OEMInit函數(shù)中加入的KITL初始化代碼。
①初始化所有PCI橋和設(shè)備，枚舉它們并且給它們分配資源，然后使能，使他們能正常工作。注：此條適于有KITL網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)和NIC橋的情況。
② 對相關(guān)總線進行初始化，使得CPU能夠正確識別NIC。
③通過調(diào)用KitlInit函數(shù)來初始化KITL。這部分代碼可參照其它平臺，代碼文件為Halkitl.c。
④執(zhí)行0EMKitlInit函數(shù)，進行相關(guān)的硬件初始化工作。搜索是否存在KITL 網(wǎng)口、串口或并口連接。
⑤執(zhí)行完OEMKitlInit后，把Kitl.1ib和Kitleth.1ib包含入平臺資源文件Platform>KernelBuildexeKernkitl，以便把KITL打包進內(nèi)核。有關(guān)KITL的其它函數(shù)請參考微軟MSDN。
3.4 OEMIOControl
OEMIOContr01在OAL層是一個非常重要的函數(shù)，應(yīng)用程序是通過調(diào)用KernelIoContrOI來調(diào)用OEMl0Control的。內(nèi)核對許多硬件平臺信息的獲得都要通過對它的調(diào)用來實現(xiàn)。此外，0EMl0Contr0I還是用戶模式應(yīng)用代碼到內(nèi)核模式OAL代碼之間的轉(zhuǎn)換入口。這就是說，用在用戶模式下通過調(diào)用0EMl0Control可以獲得內(nèi)核模式的權(quán)力。0EMIOControl函數(shù)原型如下：
BOOL OEMIoControl(......)
{switch(dwloControlCode)
{caseIOCTL_HAL_SET_DEVICE_INFO：
case10CTL_HAL_REBOOT：
……
default：
return FALSE；
}
return TRUE：
}
硬件資源利用和調(diào)試手段的加強大大豐富了OAL的功能，但是嵌入式系統(tǒng)通常會面臨的功耗問題和由于網(wǎng)絡(luò)功能的日益普及而帶來的安全性問題并沒有涉及到。
4 完整OAL
完整OAL是指在加強OAL的基礎(chǔ)上擴充了功耗和安全性驗證的OAL。所以這一階段的主要工作集中在電源管理與模塊認證兩部分。
4.1 電源管理
OAL層的電源管理與驅(qū)動程序的電源管理頗為不同。一種設(shè)備驅(qū)動程序僅負責某種特定的設(shè)備，如果可能，則把這種設(shè)備置為省電模式，當形勢需要時再把設(shè)備置為滿載荷模式。OAL層的電源管理則是負責整個系統(tǒng)功耗管理。例如，調(diào)度器在下一個25ms沒有線程要運行時，系統(tǒng)將被置為省電模式。
電源管理函數(shù)響應(yīng)關(guān)閉系統(tǒng)和使系統(tǒng)空閑的系統(tǒng)調(diào)用。這些系統(tǒng)調(diào)用可能是軟觸發(fā)也可能是硬觸發(fā)。以下兩個函數(shù)是須在OAL層中實現(xiàn)的電源管理函數(shù)：
◇0EMIdle一一把設(shè)備置為空閑狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)；
◇0EMPoweroff一一把設(shè)備置為斷電狀態(tài)；
◇OEMPowerOff和OEMIdle的程序代碼可在如下目錄中參照例程％_WINCER00T％PlatformPlatform>KerlaelHal。
4.2 模塊認證
自從Windows CE 3.0以來，在RAM中加載和運行模塊前，內(nèi)核可以對其進行授權(quán)核查。對于在ROM中運行的模塊則不需要此過程。模塊認證實際上是在被加載的模塊后添加一數(shù)字簽名，只有當系統(tǒng)用公開密鑰驗證數(shù)字簽名通過后，該模塊才可以被加載到RAM中運行。這樣系統(tǒng)可以阻止或限制一些模塊的運行，達到系統(tǒng)安全的目的。
要達到以上目的須完成以下兩個函數(shù)：
◇OEMCertifyModuleInit，用于初始化驗證過程，每驗 證一個模塊調(diào)用一次；
◇OEMCertifyM0dule，用于驗證數(shù)字簽名。
為了支持這兩個函數(shù)，在OEMInit函數(shù)中須分配兩個全局變量pOEMLoadInit和p0EMLoadModule，用來存放這兩個函數(shù)的地址。
結(jié)語
Windows CE的OAL層是一個復(fù)雜的函數(shù)集。它的復(fù)雜性不但體現(xiàn)在包含函數(shù)數(shù)目繁多，而且體現(xiàn)在很多函數(shù)的硬件相關(guān)性非常大。本文并沒有詳細講解每個OAL層函數(shù)，而是就一些通常會遇到的OAL層函數(shù)進行層層劃分；在說明OAL層的功能和結(jié)構(gòu)的同時，提出開發(fā)OAL的一種方法和思路。
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