嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks入門
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VxWorks的實時性體現在能于限定的時間內執(zhí)行完所規(guī)定的功能，并能在限定的時間內對外部的異步事件作出響應。因此，實時性系統(tǒng)主要應用于過程控制、數據采集、通信、多媒體信息處理等對時間敏感的場合。本文將對這個操作系統(tǒng)進行一個入門級的、全面的介紹。為力求展示其全貌，全文共分五章：
(1)搭建VxWorks嵌入式開發(fā)環(huán)境;
(2)簡要介紹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的啟動過程;
(4)介紹VxWorks設備驅動的架構及編寫方法;
(5)指明VxWorks應用開發(fā)的思路，任務調度及任務同步、中斷與任務的同步機制。
以上各章中將貫穿著許多實例，由于本文定位于入門級教程，所以文中的實例都將十分簡單。下面我們進入第一章內容的講解。
嵌入式系統(tǒng)的調試方法一般為通過PC(宿主機)上的集成開發(fā)環(huán)境交叉編譯針對特定電路板(目標機)的程序，然后將程序通過目標板的JTAG、串口或網口等途徑下載到目標板上運行。因此，為了構造一個嵌入式系統(tǒng)的學習環(huán)境，擁有一塊包含CPU、存儲器及I/O電路(構造計算機系統(tǒng))的目標電路板往往是必要的。雖然許多集成開發(fā)環(huán)境附帶模擬軟件，但僅限于指令集的模擬，均無法模擬物理的目標機硬件平臺，因而在其上只能進行應用程序的象征性模擬開發(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，我們如何構造一個模擬的開發(fā)環(huán)境，其學習效果就如同擁有完全真實的電路板一樣呢?本文試圖解答此問題，主體內容包括四個方面：
(1) 利用VMware等軟件模擬真實的目標機;
(2) 構建VMware虛擬PC上VxWorks BSP，建立Bootrom和OS映像;
(3) 修改Tornado相關設置，連接宿主機與目標機，建立調試通道;
(4) 寫一個簡單的應用程序并下載到目標系統(tǒng)運行。
圖1 嵌入式系統(tǒng)的調試
本章工作的最終目標為：
(1)VxWorks在VMware啟動成功并順利運行，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，實際上，我們可以把PC作為嵌入式系統(tǒng)的目標機，從而構造如圖4所示的開發(fā)模型：
圖4 PC作為目標機
很遺憾，這種方法實際上非常麻煩，同時開動兩臺PC進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。因此，我們可以借助VMware來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(tǒng)，而且操作系統(tǒng)之間的切換不需要重新啟動電腦。VM的意義是Virtual Machine，即虛擬出一個邏輯的電腦，它可以提供基于Intel CPU的虛擬PC系統(tǒng)環(huán)境，包括CPU、內存、BIOS、硬盤和其他外圍硬件設備。
下面我們講解用VMware來建立一臺虛擬PC的步驟：
(1)并安裝VMware;
(2)使用VMware向導建立一個針對VxWorks的虛擬機;
此步驟中注意在操作系統(tǒng)中選擇“other”，如圖5：
由于目標機最終通過軟盤啟動，因此要求你的電腦具有軟驅。很遺憾，當年日常使用的軟盤如今成了古董，很少再有電腦配備軟驅。因此，我們再來制造一個假冒偽劣產品，虛擬一個軟驅。又一個天才的工具軟件RamDiskNT為我們提供了這一便利，圖6演示了用RamDiskNT虛擬一個1.44M軟盤的方法。
僅僅虛擬一個軟驅是不夠的，把這個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下載和編譯網卡驅動
VMware為運行于其上的操作系統(tǒng)提供虛擬網卡支持，該網卡類型即為AMD的PC-NET，在Tornado開發(fā)包中已經包含了該類型網卡的驅動程序，但經過，在VMware環(huán)境中該驅動無法正常工作，所以可從AMD的網站上下載最新的驅動程序。下載得到的是一個可執(zhí)行的安裝程序，運行該程序將得到一個壓縮包和一個幫助文件，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程序的編譯和替換：
(1)打開一個控制臺窗口，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，使編譯出來的系統(tǒng)引導程序和VxWorks的映象符合我們的要求;同時還要修改sysLn97xEnd.c這個文件，以使系統(tǒng)的網絡功能正常運行。
(1)定位到目錄C:tornado2.2targetconfigpcPentium并打開該目錄下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個網卡和第0個處理器，lnPci這個標識會因為使用的驅動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(后面會有說明);
- h=192.168.80.169是宿主機的IP地址，可以根據實際情況修改;
- e=192.168.80.254是目標機的IP地址，可以根據實際情況修改;
- u=target指定了FTP的用戶名，這個FTP就是用來下載VxWorks映象的;
- pw=VxWorks是FTP與用戶名target對應的密碼;
- tn=target指定目標機的名字，任意指定即可。
(3)指定網卡驅動程序
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(tǒng)是不接受外部輸入設備(如鍵盤)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Tornado開發(fā)工具，在Build菜單下選擇Build Boot ROM，選擇BSP為pcPentium，image類型為bootrom，工具為gnu，如圖8。點擊OK，Bootrom就會編譯。
編譯VxWorks映像
編譯生成bootrom后，還要創(chuàng)建一個VxWorks映象(image)，也就是VxWorks操作系統(tǒng)本身的代碼，步驟為：
(1) 創(chuàng)建一個“bootable VxWorks image”的工程，BSP 選擇pentium;
(2) 選擇需要的VxWorks組件
如圖10，在這個例子中我們需要包括兩個重要的組件：Telnet server 和 Target shell。前者使我們可以通過Telnet登錄到VxWorks操作系統(tǒng)中;后者則可以讓我們通過命令行控制VxWorks系統(tǒng)。另外，需要把所有相關的選項都包含進去。
完成選擇后，即可開始編譯程序。到此我們已經生成了VxWorks的系統(tǒng)引導程序和運行時的代碼映象。在每次修改完系統(tǒng)的配置信息(如：config.h)后，都要重新創(chuàng)建一個工程來編譯VxWorks映象。將生成的名為“VxWorks”的文件復制到D:下。這個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
由于目標機從軟盤啟動，我們需要制作VxWorks引導磁盤，用于引導VxWorks操作系統(tǒng)映象。定位到C:tornado2.2targetconfigpcPentium目錄，插入已經格式化好的軟盤，運行：
mkboot a: bootrom
該命令將在軟盤上建立VxWorks系統(tǒng)引導分區(qū)，并將引導程序復制到軟盤上。
3. 建立調試環(huán)境
3.1配置FTP服務器
宿主機上的FTP服務器用于在系統(tǒng)成功引導后，下載VxWorks的運行時映象，最好使用Tornado開發(fā)環(huán)境自帶的FTP服務軟件。
如圖11，打開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)，修改用戶名為“target”，對應密碼為“VxWorks”，點擊“Done”按鈕完成修改，FTP服務就啟動了。
為了便于觀察引導程序是否從FTP上下載了VxWorks映像，最好打開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啟狀態(tài)。保持FTP Server窗口處于打開狀態(tài)，即保證FTP服務器處于運行狀態(tài)。
虛擬機從軟盤啟動，接下來會下載服務器上的D:VxWorks映像，服務器的FTP會有相關的log，如圖12：
圖12 FTP服務器
3.2 配置target server
如圖13，打開您的Tornado開發(fā)環(huán)境，選擇“Tools->Target Server->Configure”菜單，在“Description”中任意填寫一個名字，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，如果目標機已經啟動，點擊“Launch”按鈕，就可以啟動Target Server了。
再回到Tornado開發(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”。這時您會發(fā)現工具條中一些原先處于“禁用”狀態(tài)的工具按鈕，現在都已經處于“激活”狀態(tài)了。
試一試，我們打開TShell，并運行“i”命令察看目標機上當前運行的任務，效果如圖14：
圖14 在TShell中運行命令
4. 編寫和調試應用程序
現在，編寫應用程序的所有條件已經完全具備了。我們來編寫一個簡單的應用。
如圖15，建立一個名為“test”的可下載的應用程序模塊：
圖15建立可下載的應用程序模塊
如圖16，注意工具鏈的選擇，應該為PENTIUMgnu：
圖16 選擇PENTIUMgnu工具鏈
這個時候工程中還一個文件都沒有，我們編寫一個簡單的程序：
以下是引用片段：
#include
void test(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
printf ("%dt",i);
i++;
if(i==10000)
{
break;
}
}
}
編譯生成了test.out，下載到目標板，在TShell中運行test函數，效果如圖17。
圖17 運行自己編寫的程序
下面我們以Run Task模式運行上述的test()函數，并設置在入口點即斷點，如圖18：
圖18 運行test任務
此后，我們可以像使用任何其它的基層開發(fā)環(huán)境一樣在我們編寫的應用程序中進行所有如下的調試行為：
(1) 設置斷點
(2) 單步運行
(3) 察看變量
(4) 察看內存
(5) 察看寄存器
接下來，enjoy yourself in VxWorks!
附錄：軟件及驅動下載地址
VMware：
http://www.vmware.com/download/ws/
RamDiskNT 1.5：
http://soft.netnest.com.cn/downinfo/netnest1823.html
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