eCos在基于ARM7硬件平臺上的應用

　　摘要 簡單介紹eCos的體系結(jié)構(gòu)，詳細論述eCos的可配置機制的實現(xiàn)原理，重點介紹eCos在以AT91M55800為核心的ARM7硬件平臺上的移植步驟，結(jié)合本系統(tǒng)簡要介紹內(nèi)核的配置方法。最后給出了基于eCos應用軟件的編寫方法。

　　關鍵詞 eCos 可配置機制 ARM7 移植 硬件平臺

　　eCos(Embedded Configurable Operating System)最初是由Cygnus Solutions公司為面向嵌入式領域而開發(fā)的源碼公開、具有很強的可移植性和可配置性的，適合于深度嵌入式開發(fā)的實時操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在eCos主要由eCosCentric公司和eCos開源社區(qū)共同開發(fā)維護。eCos的特性，特別是它的可配置性，能有效縮短嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)周期并降低成本。

　　1 eCos的體系結(jié)構(gòu)及可配置性

　　1.1 eCos體系結(jié)構(gòu)

　　eCos采用模塊化設計，將不同功能的軟件分成不同的組件，使其分別位于系統(tǒng)的不同層次。這種層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了eCos的可配置性、可移植性、兼容性和可擴展性。圖l是eCos系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)框圖。硬件抽象層(HAL)使其上層次結(jié)構(gòu)不必關心具體的硬件結(jié)構(gòu)，因此只需對HAL進行修改就可以使整個eCos的應用移植到新的硬件平臺上。

　　內(nèi)核是eCos的一個核心組件，也是系統(tǒng)的一個可選組件，一些較為復雜的應用需要內(nèi)核的支持。內(nèi)核提供了多個可供選擇的調(diào)度算法，可以很好地支持多任務處理。eCos內(nèi)核提供了一組豐富的同步源語，完全能滿足各種嵌入式應用的需求。內(nèi)核還負責對中斷和例外進行處理，它的中斷滯后處理機制保證了系統(tǒng)的實時性。此外，內(nèi)核還具有內(nèi)存分配機制和定時機制，并提供多線程GDB調(diào)試支持。內(nèi)核為上層軟件和應用軟件提供了豐富的API接口函數(shù)。

　　RedBoot是一個無內(nèi)核的系統(tǒng)引導程序。是eCos的一個特殊應用。RedBoot可以加載eCos應用程序，并提供Debug支持，是開發(fā)eCos系統(tǒng)時非常有用的工具。設備驅(qū)動程序負責對硬件設備進行控制和管理，并完成設備數(shù)據(jù)的讀/寫操作。設備驅(qū)動程序自身也采用層次結(jié)構(gòu)，上層驅(qū)動程序(相當于一個虛設備)可以調(diào)用下層驅(qū)動程序(物理設備)。驅(qū)動程序為上層軟件提供標準的API函數(shù)，應用程序可以使用這些API函數(shù)對設備進行訪問。

　　eCos包含的網(wǎng)絡支持包支持完整的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧。eCos還提供了標準庫(ANSI C庫和數(shù)學庫)、兼容層(POSIX兼容和uITRON兼容)、文件系統(tǒng)等。作為一種開放軟件，eCos還可以很方便地容納第三方軟件。

　　1.2 可配置性原理

　　eCos的一個主要特性就是其可配置特性?？膳渲眯宰罱K是靠代碼中的條件編譯來完成的，條件編譯是編程語言的特點，并不是eCos的原創(chuàng)。當一個軟件工程中的條件編譯項的數(shù)目和復雜性達到一定程度時，其中有一些條件編澤項就會因為存在邏輯上的依賴關系而使條件編譯產(chǎn)生沖突。而如何發(fā)現(xiàn)并有效解決這種沖突才是eCos可配置性的特點，如圖2所示，其可配置特性的實現(xiàn)主要由組件定義語言CDL(Component DefinitionLaguage)、組件倉庫ecos.db、圖形配置工具eonfigtool三者共同完成。

　　(1)組件定義語言CDL

　　CDL是eCos組件框架中的一個關鍵部分，eCos所有模塊的程序包中都包含一個CDL腳本對該包進行描述并提供配置選項。以本系統(tǒng)中的串口驅(qū)動程序包為例，在該包對應的CDL中定義了一個名為CYGPKG_IO_SERIAL_ARM_AT91的cdl_package。在這個cdl_package中詳細列出了該包的一些屬性，如該包必須在工程已經(jīng)包含了硬件抽象層包CYGPKG_HAL_ARM_AT9l和上層串口I/O包CYGPKG_IO_SERIAL的情況下才會被使能。另外，串口的一些常用特性，如波特率、設備名、緩沖區(qū)大小等配置選項也是必不可少的。在一些復雜的CDL中還會包含對該包中的源程序進行編譯時的一些編譯選項。在進行配置的時候，該包還會產(chǎn)生一個包含了各個可配置參數(shù)數(shù)值的頭文件。當其他包使用由CYGPKG_IO_SERIAL_ARMAT9l包提供的可配置參數(shù)時，這個新產(chǎn)生的頭文件就會被相關的源文件通過#include語法包含。

　　(2)組件倉庫ecos.db

　　ecos.db是一個包含了所有可用程序包和配置模版的文本文件。在該文件中，需要注冊所有的CDL包。在注冊時以package關鍵字提供相應包的名稱、CDL腳本文件的文件路徑以及對該包的一個簡單描述。在eCos.db中還會以target關鍵字生成配置模版，從而提供目標平臺的一些基本組成結(jié)構(gòu)，使目標平臺包括所需要的已經(jīng)注冊了的CDL配置包。

　　(3)圖形配置工具configtool

　　configtool是利用MFC編寫的Windows程序，是eCos可配置性的執(zhí)行者，也可以理解成是CDL腳本的解釋器。一方面它讀取ecos.db文件中的目標平臺和已注冊的配置包信息，根據(jù)配置包的路徑找到相應的CDL腳本，然后根據(jù)腳本中給出的屬性向程序員提供圖形化的配置信息;另一方面，它還可以接受用戶的輸入，包括單選按鈕、復選框、下拉列表、文本輸入等。當用戶保存一個配置時，configtool會根據(jù)CDL語言的提示生成相應的頭文件，也會將指定的頭文件從配置包中復制到配置文件所在的工作目錄。無論是生成的頭文件還是拷貝的頭文件，都會在編譯時被源程序所引用。對于內(nèi)核源程序，configtool又可以理解成編譯器。當用戶的配置選項被保存并且對工程進行編譯時，configtool會在后臺調(diào)用真正的編譯器GCC，根據(jù)配置包CDL中的編譯選項控制GCC對所有需要的內(nèi)核源文件進行編譯并生成庫文件和對應的鏈接腳本。當然configtool只是對eCos內(nèi)核進行編譯，用戶的應用程序只需在編譯時和由configtool編譯生成的庫文件進行鏈接就可以得到最終的可執(zhí)行映像文件。

　　2 系統(tǒng)硬件框架

　　本系統(tǒng)是一個以ARM7為核心構(gòu)成的測控系統(tǒng)，通過對傳感器的脈沖信號進行處理而得到待測物料的流量，并通過控制給料器的給料速度達到流量控制的目的。對于一個有實用價值的測控系統(tǒng)，必須具有人機交互、閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)通信和存儲等功能。本課題所研制的流量測控系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

　　圖3中，處理器為ARM7內(nèi)核的工業(yè)級芯片AT91M55800，其強大的功能保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性的要求。2 MB的Flash SST39VFl60用來保存程序代碼、測量所需的一些參數(shù)以及測量結(jié)果的簡單統(tǒng)計信息。在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對一次測量中的數(shù)據(jù)進行歷史再現(xiàn)，以便對一些事故或故障進行排查。本系統(tǒng)通過采用1MB的大容量RAM來實現(xiàn)這一功能：除了用來作為程序運行時的內(nèi)存外，RAM還用來實時保存每一時刻的測量數(shù)據(jù)。USB總線的通信口用來和現(xiàn)場計算機進行通信，以實現(xiàn)一些更加完善的處理，如數(shù)據(jù)打印、結(jié)果分析、實時數(shù)據(jù)的硬盤保存等。分辨率為320×240的LCD用來作為系統(tǒng)的顯示終端配合4×5的鍵盤來完成系統(tǒng)的人機交互操作。對變頻器的控制和對溫度信號的采集通過485總線完成。6路脈沖信號是本系統(tǒng)測量功能的核心，通過對這6路脈沖進行處理可以得到流量相關的所有信息。4～20 mA電流信號用來控制給料系統(tǒng)，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于在工業(yè)環(huán)境中使用，對于一些長線連接必須采取隔離措施。本系統(tǒng)對測量脈沖、485通信信號和4～20mA電流信號都采取了光電隔離措施。

　　3 eCos在系統(tǒng)上的移植與應用軟件編寫

　　3.1 eCos內(nèi)核的移植

　　由于eCos內(nèi)核采用了可配置的模塊化設計思想，因此只要修改硬件抽象層HAL的代碼和CDL腳本并且在ecos.db中注冊就可以應用于新的且標系統(tǒng)。HAL又可以細分為3個層次：①體系結(jié)構(gòu)抽象層。eCos是可以應用于多種體系結(jié)構(gòu)平臺上的操作系統(tǒng)，如ARM、MIPS、POWERPC等，在eCos發(fā)布時已經(jīng)將這些體系結(jié)構(gòu)層的移植包一同發(fā)布了出來。本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)抽象層是ARM7體系結(jié)構(gòu)抽象層。②變體抽象層。對于同一種體系結(jié)構(gòu)的處理器，各生產(chǎn)廠家會有不同的系列和型號(如Atmel的AT91系列、Philips的LPC系列等)，雖然它們都采用ARM?體系結(jié)構(gòu)，但是不同的寄存器配置模式和中斷處理方法也會影響到eCos的移植。本系統(tǒng)所使用的處理器AT91M55800使用較為普遍，在eCos開源社區(qū)已經(jīng)有移植好的AT9lM55800變體抽象層的代碼和CDL腳本，只需作系統(tǒng)啟動后對I/O口的賦值情況等少許的改動即可完成對變體抽象層的移植。③平臺抽象層。平臺抽象層是對目標系統(tǒng)的整個硬件平臺進行抽象，包括平臺的啟動、芯片配置、定時、I/O寄存器及中斷寄存等等。

　　系統(tǒng)需要進行的移植工作主要是平臺抽象層的移植，而平臺抽象層中最重要的是Flash驅(qū)動包和內(nèi)存布局文件的移植。主要的步驟為：

　　①安裝AT91M55800變體抽象層包。從eCos開源社區(qū)下載好的變體抽象層包在一個名為eb55的文件夾中，在這個文件夾中還有cdl、include、src等子文件夾分別包含了CDL腳本、頭文件，源文件。由于eCos的軟件包有嚴格的層次結(jié)構(gòu)，所以在安裝軟件包時應遵循這一結(jié)構(gòu)以便于維護。AT91M55800屬于ARM7的一個變體，同AT9l系列的其他CPU處于同一層次，所以變體抽象層軟件包文件夾eb55的具體路徑應為/hal/arm/at91/eb55。接下來還應在ecos.db中注冊變體抽象層包，以package關鍵字注冊名為CYGPKG_HAL_ARM_AT91_EB55的包，這個名字必須和包中CDL文件hal_arm_at91_eb55.cdl中的所定義的包名完全一致。在包名后面的花括號中登記hal_arm_at91_eb55.cdl文件的路徑及文件名，以及對該包的簡單文字說明。

　?、诰帉慒lash的底層驅(qū)動軟件包，以便能夠操作目標系統(tǒng)的Flash存儲器。由于本系統(tǒng)在前期調(diào)試和代碼固化時利用了RedBoot，而RedBoot通過Flash驅(qū)動程序操作目標Flash，所以必須先移植好Flash驅(qū)動程序才能進行更進一步的開發(fā)工作。

　　首先需要編寫底層驅(qū)動程序源文件。不同的Flash的塊空間大小以及寫操作一般是不一樣的。本系統(tǒng)所用的Flash SST39VF160是2 MB的16位NOR Flash，共有512(0x200)個塊空間，其塊大小為4K(0x1000)，寫操作的命令碼符合JEDEC標準。這些特點與Atmel公司AT49系列Flash比較類似，因此Flash驅(qū)動程序可以從eCos發(fā)布時自帶的AT49系列Flash的驅(qū)動程序修改得到。最重要的地方是修改描述Flash特性的結(jié)構(gòu)體flash_dev_info_t變量中成員block_size和block_count的值，使其分別為Oxl000和0x200。

　　接下來需要編寫與Flash底層驅(qū)動對應CDL腳本，使配置工具configtool能夠正確配置編譯Flash驅(qū)動程序。這個CDL文件完全可以參照AT49驅(qū)動包中的CDL文件編寫。以cdl_package關鍵字定義名為CYGPKG_DEVS_Flash_SST_39VF160的包，在命令體中給出具體的配置參數(shù)。由于底層驅(qū)動包必須結(jié)合上層驅(qū)動才能工作，所以在命令體中用active_if CYGPKG_IO_Flash命令告訴configtool，必須在上層驅(qū)動包CYGPKG_IO_Flash已經(jīng)被包含的情況下底層驅(qū)動包才會使能。

　　最后，需要在ecos.db中注冊底層驅(qū)動軟件包。具體做法和變體抽象層包的注冊方法相同。

　?、坌薷膬?nèi)存布局文件，使configtool能夠正確定位程序在系統(tǒng)存儲器中的位置。eCos提供3種不同的運行方式，即ROM方式、RAM方式、ROMRAM方式。每種模式都有兩個相應的布局文件，如RAM方式的mlt_arm_at91_eb55_ram.ldi和mlt_arm_at91_eb55_ram.h。*.ldi和常見的ARM開發(fā)環(huán)境ADS中scattered鏈接方式下的*.scf文件的作用類似，即用來對不同段分別指定不同的鏈接地址。在*.ldi中需要修改MEMORY和SECTIONS兩部分。對于代碼在RAM中運行的內(nèi)核及應用程序，需要根據(jù)系統(tǒng)RAM的實際情況修改內(nèi)存布局文件中相關參數(shù)的值。本系統(tǒng)具有l(wèi)MB的RAM，但有一半用來存放測量數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)實際的硬件情況，其起始地址為0x02000000，大小為0x80000，所以這個內(nèi)存塊定義為ram：ORIGIN=0x02000000，LENGTH=0x80000。處理器內(nèi)部集成了8KB SRAM，其起始地址為0，大小為0x2000，所以這個內(nèi)存塊定義為sram：ORIGIN=0x00000000，LENGTH=0x2000。這樣系統(tǒng)的MEMO-RY部分就由名為ram和sram的兩個內(nèi)存塊構(gòu)成。系統(tǒng)比較重要的兩處SECTIONS部分的修改為SECTION_fixd_vectors(sram，0x20，LMA_EQ_VMA)和SEC-TION_rom_vectots(ram，0x02008000，LMA_EQ_VMA)，第一處表示fixed_vectors段分配在從0x20開始的sram中，且LMA_EQ_VMA指定其加載地址等于虛擬地址。由于RedBoot運行時需要占用從0x02000000開始的一定空間的RAM，所以第二處使程序代碼從0x02008000開始的ram中運行。*.1di文件修改完畢后需要相應地修改*.h文件中的宏，如#define CYGMEM_REGION_ram(0x02000000)。

　　④在組件倉庫ecos.db中為以關鍵字target添加名為Flowr55的新目標平臺。在這個目標平臺中還必須用關鍵字packages包括ARM7體系結(jié)構(gòu)層包和AT91M55800變體抽象層包，同時為了實現(xiàn)調(diào)試還必須包括串口驅(qū)動包和Flash驅(qū)動包及其上層驅(qū)動包。除了這些被包含的軟件包外，根據(jù)不同的選擇configtool還會為目標平臺包掭加一些默認的包，如內(nèi)核包、數(shù)學庫包等。另外，還應加入一些對該平臺的簡單描述。

　　3.2 內(nèi)核的配置

　　移植完成以后，一個最基本的目標平臺就產(chǎn)生了。在configtool中可以看到Templatcs菜單的硬件平臺列表中新增了Flow55目標平臺模版，以default方式打開這個模版。各個軟件包的CDL腳本中都給出了默認的配置值，有些值需要根據(jù)具體的應用要求重新配置。本系統(tǒng)一些重要的配置情況如下：

　?、儆捎谙到y(tǒng)線程數(shù)量較少(小于10)，所以選擇效率更高的位圖調(diào)度器Bitmap scheduler，并將線程數(shù)numbersof priority levels限定為16，以提高任務切換的速度。當點擊位圖調(diào)度器的單選按鈕時，configtool會檢測到一個配置沖突。由于時間片輪轉(zhuǎn)是默認使能的，而時間片輪轉(zhuǎn)僅僅對應于多級隊列調(diào)度器，所以出現(xiàn)配置沖突。Configtool會給出一個推薦的解決沖突的方法，即禁止時間片輪轉(zhuǎn)，按照這個推薦的解決方法可以安全地解決這個沖突。這個地方可以充分體現(xiàn)出eCos強大的可配置性。

　?、谟捎谂浜蟁edBoot一起使用，所以內(nèi)核配置為RAM啟動方式。這樣，系統(tǒng)上電后程序?qū)⒂蒖edBoot復制到RAM中運行，以提高速度。

　?、巯到y(tǒng)的晶振頻率為16 MHz，經(jīng)PLL倍頻后為32MHz，所以需將Clock speed配置為32000000;RTC是系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍發(fā)生器，本系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍時間選為20ms，所以也需要對RTC相關項進行配置。具體參數(shù)為Real-time clocknumerator配置為2000000000，Real-time clock denormnator配置為100，Real-time clock period配置為20000。

　　其余的配置選項使用默認的配置值即可。完成配置工作后，對內(nèi)核進行編譯可以產(chǎn)生內(nèi)核庫文件和鏈接腳本以及相關頭文件。這些生成的文件再同應用程序一起編譯、鏈接，生成最終的可執(zhí)行映像文件。

　　3.3 基于eCos操作系統(tǒng)的應用軟件的編寫

　　eCos是一個單進程多線程的操作系統(tǒng)，多個線程在宏觀上可以認為是并發(fā)運行的，而且各線程之間耦合低，便于軟件的編寫和維護。針對這一特點，本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　本系統(tǒng)主要有兩種程序運行方式，分別稱為方式A和方式B。方式A中，硬件中斷產(chǎn)生后，相應的ISR(In-terrupt Service Routine)程序運行，由于ISR中是禁止中斷的，所以在ISR中只進行最簡單的操作，ISR退出后內(nèi)核調(diào)用相應的DSR(Deferred Service Routime)。DSR中中斷是使能的，所以可以進行一些稍復雜的處理，如簡單的數(shù)據(jù)運算、內(nèi)核調(diào)用(發(fā)送信號量和郵箱等)。在得到相應的信號量或消息郵箱后，相應的線程進入就緒態(tài)被內(nèi)核調(diào)度運行。本系統(tǒng)中對鍵盤的處理就是基于這種方式——按鍵產(chǎn)生硬件中斷、ISR執(zhí)行，接著在DSR中進行相應的運算得到具體的鍵值后以消息郵箱的方式通知并喚醒鍵盤處理線程，鍵盤處理線程在完成任務后進入體眠直到再次有按鍵發(fā)生而被喚醒。方式B中，各線程只是周期性地被內(nèi)核調(diào)度運行，如測量數(shù)據(jù)顯示線程，在顯示一次數(shù)據(jù)后調(diào)用延時函數(shù)進入休眠，直到延時完畢后再次進入就緒態(tài)被內(nèi)核調(diào)用。

　　根據(jù)測控系統(tǒng)的實際情況，具體的線程編寫如下：方式A為流量計算線程、溫度測量線程、鍵盤處理線程、USB通信處理線程。方式B為測量數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制線程、流量控制線程、初始標定線程。

　　4 結(jié)論

　　經(jīng)過實踐，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性能良好。由于eCos的強大可配置性使得系統(tǒng)的軟硬件可維護性強，在進行硬件改動或應用要求改動后可方便地進行升級。