嵌入式CPU软硬件协同开发中的操作系统设计.pdf

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1、!#$%&%()#$&*+,#清华大学学报-自然科学版./0 1 2 3 4 5 6 783 2 9-:2;0 期*%=?A B(=#B*C,+DC +&C E嵌入式F G H软硬件协同开发中的操作系统设计董渊=王生原=陈嘉=田金兰=张素琴-清华大学 计算机科学与技术系=北京$%D(.收稿日期I*%(&%E&$%基金项目I国家自然科学基金资助项目-E%D+%(.J国家K八六三L高技术项目-*%*MM$N%+%.作者简介I董渊-$C +&.=男-汉.=内蒙古=讲师O摘要I为了满足高性能嵌入式)P 8软硬件协同开发的需要=提出一个嵌入式Q 2 3 6 R操作系统设计方案=在真正的硬件完成之前利用虚

2、拟原型系统进行软硬件集成测试O该方案基于开放源代码软件=采用精简配置的Q 2 3 6 RS T 3&%C +&%(Z _ a b cd e d f d g ah i jk l j m l j ,d i h f m l j n i o p q i r a fs t u vw x y z=|u v !z#x y z=$%&u(y=)*|u(z+y z=,%|u v x-(z-.r l j f a f i h F i r b f j/n a n l a 0 n k a i q i g e=0 d a g k b lH a p j d f e=1 2 a g3 4 4 4 5 6=F k a l.7

3、d f j l n f I0 5 8 9 A 9:3;5 2 4 5 9 T T:7 3:U 8 8 8)P 8T =6 2 T 1:&8 9 A 9:3;5 7 T =;5 8 9 A 9:3;?2;17 3 8;5 9 T 7;2 3 41 W 1;:B0 5 2 19 7 9 T8 1:T 2 U 178 1 2 4 31:5 :T7 3:U 8 8 8Q 2 3 6 R1 W 1;:;5 7;9 T 9 2 8 1:&8 1 2 4 3 7 A A;5 T 9 7 T;17 3 8 9 T 2 7 T 3 9 2 T 3:3;U T ;5 7 T 2 17 9 7 2 A 7 U A

4、BV 7 1 8 3 9 31 6 T:1 T;5 1:5 :6 1 171 2:9 A 2 2 8Q 2 3 6 R?T 3 2;57 3:U 8 8 8T ;2 A 1 W 1;:2 3:A 6 8 2 3 46)A 2 U:=V 6 1 W U R7 3 81 :U 3:5:7 T?9 T 4 T 7:1 T :P )*%B0 5 2 11 W 1;:5 7 1U 31 6:1 1 6 A A W7 9 9 A 2 8;5 7 T ,1 7 T :&8 9 A 9:3;0 1 2 3 4 5 6 7 83 2 9 T 1 2;W A 1Y2:T P T :1 1 T-0 X8YP.B0

5、5 1 W 1;:2:9 T 9 1;5 9 T 2 2:7;2 3 2:2 3:W7 3 8 9;2:2 B 1;5 9 T T:7 3:;5 :U 8 8 8)P 8B0 1;T ;5 7;5 1 W 1;:7 3:T T :;A W 7 3 8 2:2 3;A W9 T T:&9 T 2 2:7;2 3 3;5:W:A&7:6 T 7;1 2:6 A 7;T=:;2 3 4;5 1;T 2:;8 1 2 4 3:3 1;T 7 2 3;1 1 2:6 A 7;3 2 38 9 A 9:3;3 9 2 T :3;7 3 81 6:1 1 6 A T 6 3 3 2 3 4 ;5;7 T 4

6、 ;)P 8BC em i j d I 9 T 7;2 31 W 1;:J:U 8 8 7 T ,1 7 T:&8 9 A 9:3;J1 W 1;:8 1 2 4 3现代生产生活中广泛使用的嵌入系统大多采用软硬件协同设计方法开发=以加快产品上市时间=提高质量并满足更为严格的设计约束D$EO协同设计中必须考虑系统建模F软硬件之间的功能划分F协同综合F协同模拟和协同验证等问题O其中协同验证利用虚 拟的硬件原型系统-软件模拟器或者硬件仿真器.=在真正的硬件实现之前进行系统集成测试=是整个方法中最重要的步骤之一O高性能嵌入式微处理器需要自己的操作系统=在这些)P 8的协同开发过程中必须同时考虑操作系统

7、的设计=验证阶段也采用该系统O通常的嵌入式操作系统开发使用经过验证的硬件环境和开发环境O通常嵌入式系统协同设计开发中=)P 8和相应的开发环境也是已有的并且经过验证=软件系统和硬件同步设计和开发O嵌入)P 8软硬件协同开发不同于上述两种情况=)P 8本身F相应的开发工具以及操作系统同步开发设计=三者都未经验证O本文所讨论的嵌入式操作系统开发就是处于嵌入式)P 8设计这个特定情形下=硬件环境F开发环境以及操作系统都统一纳入到协同设计中=功能和接口划分清楚之后同步并行开发=在各种模拟器环境中运行操作系统进行协同验证O因此=这样的操作系统是在软硬件协同开发过程中=使用不完善的工具开发=运行于不完善的

8、模拟器平台之上=在开发阶段作为开发工具和硬件平台的一个测试向量=验证开发工具以及)P 8的设计和实现=特别)P 8中关于软硬件接口F系统初始化以及例外处理的部分=在硬件完成之后=经过扩展作为开发板的操作系统O 万方数据本文以清华大学高性能!低功耗的嵌入式微处理器#$%&()*+,-.$*)/0 1()2 34)5 1 6 7 1 6 5 0(6 1 8协 同 开 发 为 背 景9提 出 一 种$:;()*+,-.$*)/0 1()2 30 4)*-?操作系统设计方案9详细介绍该方案的关键方法和技术问题A系统设计目标在软硬件协同开发中对操作系统的要求是能够达到硬件环境!开发环境以及操作系统互相验

9、证的目的9验证目的和虚拟运行环境决定了系统的设计目标要达到验证目的9必须对作为测试向量的操作系统的代码以及运行情况有深入的把握9这就要求操作系统要尽可能小9便于把握和跟踪9同时功能要尽可能完备9以保证测试尽可能全面协同验证采用虚拟环境9对软件有非常严格的空间和时间要求许多传统软硬件协同开发方法和工具都基于高层描述语言#B 8 9这些方法协同验证通常使用硬件仿真器或C 1 0+)(2 0 12 1.*(7 6 1 2D 0/0 D 8模拟器E F G最近的研究工作提出基于H I H JJ的方法E K G用于软硬件协同设计9以便能够更早地开始软硬件的协同验证和性能分析9这类方法用于协同验证的模拟器

10、可以是周期精确的H模拟器!C 精确的H模拟器!周期和相位精确模拟器等通常情况下这些高级语言编写的模拟器的执行速度在L到L M N5 3 5 D 0(I(的量级E O G9而C 模拟器的执行速度更低可见9时间效率是最核心的问题因此9用于协同开发的操作系统的设计目标可以归纳为P具体而微9时间第一Q 9在保证系统具备基本功能的前提下尽可能地小9时间效率的优先级最高9必要情况下可以牺牲空间来换取时间效率9以便争取更多的时间进行硬件设计优化R系统开发环境#$%&和%S&;主流产品O THE U G兼容9使用和O TH不同的先进流水线结构9采用%S&;K F指令集开发环境以V W$工具为基础开发开发中9首

11、先实现周期精确的H模拟器9完整模拟所有指令的执行情况9同时实现了单步执行!数据和指令断点!状态保存与恢复等非常强大的调试功能9以实现软硬件协同验证的需要整个系统开发!调试均采用交叉方式9宿主机为&H机上的C 0=#.2 )*-?9交叉开发环境基于开放源代码的V H H V W$X(5 6 47)D 0 15 6 D D 0 5 2)6*8 9目标机是运行于&HY)*=6 Z(系统上周期精确的H模拟器图L描述了操作系统的交叉开发和协同验证环境图A嵌入式 协同开发中的操作系统开发环境操作系统设计方案本文方案选择基于)*-?自行开发嵌入式操作系统系统)*-?E _ G是使用最广泛的嵌入式操作系统之一

12、9属于开放源代码软件9可以根据实际需要裁减和修改9应用程序重用机会大!开发风险小一 个 完 整 的)*-?操 作 系 统 除 内 核)*-?T0 1*0 D之外9必须包括根文件系统9根文件系统通常包含基本框架目录结构9启动配置文件8!库函数!)*)2!(,0 D D!文件管理!用户管理!进程管理等多个必要的工具包9以及针对特定用户的应用程序本文设计工作在上述几个方面根据协同开发的特定情况进行处理9确定设计方案精简的)*-?T0 1*0 D支持尽可能少的设备9由-H D)5E G和a-(3 )*-?系统的启动过程!例外处理流程!时钟与中断!输入I输出串口与键盘8等方面的内容采用尽可能精简的内核配

13、置方案9去掉所有不必要的核心功能9减少内核开销确定的内核配置方案为o支持串口I键盘I pV cI )40 1等设备q支持Or清 华 大 学 学 报自 然 科 学 版8F M M U 9 O U 8 万方数据!#$%!&$()*+文件系统,支持可执行文件格式为(-./01 2 3 1 4本身的格式可以是1 4 5 6+,1 7 8 5 5,9 2 1 7,小模式/支持!#:;针对协同开发的要求和*?#%的特点,对底层汇编代码进行必要的移植移植工作着重处理的代码集中在例外处理及返回代码A含指令互锁的汇编代码A初始化过程中外围设备相关汇编代码A软件中其他外围设备相关汇编代码A基本函数库等方面,涉及到

14、B C个目录下的+D多个和汇编文件E F G基本框架和HI J K根文件系统的基本框架包括必要的目录结构和位于$1 L 7目录下的启动配置文件配置文件控制着系统的启动流程,也是不同-M 3 N O发行版本之间的主要差别所在本文的设计方案对配置文件进行最大可能的简化,使用P个简单脚本文件就完成了所有 的 启 动 配 置,它 们 是$1 L 7$M 3 M L L Q R,$1 L 7$M 3 M L F S$2 7 ,$1 L 7$S 1 5 Q N 4 L$2 7-M 3 N O01 2 3 1 4引导完成由B号进程读取$1 L 7$M 3 M L L Q R文件,按照该文件来执行相应的动作本

15、方案的M 3 M L L Q R只处理进入9 U 1 4 4之前的初始化工作和启动9 U 1 4 4的工作前者启动$1 L 7$M 3 M L F S$2 7 采用针对嵌入式应用的函数库N 4 M R 7,对底层汇编代码进行必要的移植和优化E F E系统工具通 常 商 用 的-M 3 N O操 作 系 统 使 用本方案采用Z N 9 V R 8 O,将通常使用到的=;)工具整合到一个可执行文件中,作为所有工具的最小替代品,为小规模系统提供了一个相当完整的标准环境使用N 4 M R 7函数库来编译连接Z N 9 V R 8 O,对底层汇编代码进行必要的移植,使用尽可能小的配置方案,只保留9 U

16、1 4 4 AT8 2 1 AY M等+D多个基本工具E F 测试程序选择测试程序加入到根文件系统是本文方案的一个主要特点,也是协同开发的关键需求之一选择?1 4 4 8 8 2 4 S测试输出,选择含有递归算法的八皇后程序以便进行函数递归调用方面的测试,选择基准测试程序方案内容和空间占用情况如表B所示,包括上述所有基本框架A库函数AR N 9 V R 8 O工具集以及测试程序构成完整的根文件系统,装载根文件系统的!#:;而用于类似开发板A具有类似功能的商用嵌入式系统 由 于 采 用 标 准 的 4 M R 7和表b嵌入式操作系统c d e fg J h d i设计方案内容方案基准版本含!#:

17、;0根文件系统!#:;04 M 3 N O内嵌B D D含下列所有内容,未压缩基本框架*N 1 9B F Bj D含优化的启动配置文件4 M R 7N 4 M R 7D F k F B C j D底层代码移植优化工具Z N 9 V Z 8 OD F D F 6P D D底层代码移植优化应用程序测试程序B F B6 D D基于模拟器的协同验证工作大致经历了P个阶段,见图+第B阶段,01 2 3 1 4系统初始化,完成%自身初始化A内存初始化A例外处理程序注册A系统设备的初始化等第+阶段,根文件系统加载和第一个用户进程启动,实现内核态到用户态的转换第6阶段,所有可以人工引发例外的测试第P阶段,系统

18、运行测试系统正常运行情况下,以交互方式执行包含Q 9 U和文件$目录操作A文件编辑等pCk董渊,等q嵌入式%软硬件协同开发中的操作系统设计 万方数据多种命令!以及八皇后问题#$%&(%)等应用程序和*+,-./中的部分基准测试程序0图1嵌入式2 3 4协同验证过程示意图5结论本文提出一整套针对嵌入式-+6协同开发的操作系统设计方案!基于开放源代码软件!采用精简内核配置加内嵌7 89:;*?A B C和D E F B&A为主构成根文件系统!加入必要的 基 准 测 试 程 序!实 现 了 精 巧 的 嵌 入 式 系 统G$E=?A 0在真正的硬件完成之前!通过利用虚拟原型系统进行软硬件集成测试和协

19、同验证!基本完成一个完整的可运行=?A系统原型!并根据系统的应用领域!主要从设备驱动系统工具用户管理和日志网络支持网络服务以及图形用户界面等几个方面进行完善0本方案成功应用于G#69+及其配套的系统软件和应用程序开发环境研发中!为H-网络流量分配器网关等各种应用提供了稳定的系统支持!高效地完成了G#69+的协同验证!实现了最高主频达I/9#J!功耗小于/K I 的G#69+L M/N 0这款-+6于./O年.月发布!是当时国内主频最高的-+60由此可见!本设计方案满足嵌入式-+6软硬件协同开发中验证目的和虚拟环境对操作系统设计提出的严格要求!同时也满足目标-+6实际运行的需求0目前!围绕这一方

20、案的工作主要是实时性和低功耗改进0致谢感谢清华大学高性能所郑纬民-+6中心汪东升两位教授提出的富有建设性的意见0感谢P*组和开发环境组的同学!本文所讨论的是大家共同的成果0参考文献Q R S T S U S V W S X YZ M&%#K8)$C )$&()_($E&a _($C&)$E b Z c Kd e fg h i j k!./l!m n Q O Y ol p O l KZ.*F?&q E F E K#()_($*&a _($-&L)$E b?K Z P=K a a q o _K E F?&q E F E K C&r q(&)C a E _E _ _E _K a r%!./l KZ

21、l *$r$(=!s&E 8K9$a&)&%&b F&()_($E&a _($C&L t$(C a&?-uu Z 8 K+(&C$)?b E&8*+L:8-./!8E?)*&a+C C:$E b?8 a&r a&?-&?$($?C$./Z-Kv&w&r!c q?o8-9!./KO/I O/p KZ O c?+K-&E a L$C a t$C&L t$(C a&?E?b7 G=L C C (a$-r&)$%EZ 8 K+(&C$)?b E&;,;?a$(?a&?%*F rq&E r&?-(C a E?)*F E a$rEM x x xZ-KP(%?)&!6*o;,!M x x x KO y/O

22、y l KZ I z (,!D?C$+KG$9;+*+(&b(rr$(|E#?)B&wZ 9 K*?z(?E E C&o9&(b?A J a&?K a E=?A Z P=K a a q o _K w$(?$%K&(b!./O KZ N -%B Cs(&q K8-=B(F&(,rB$)$)=?A KZ P=K a a q o _K C%B C K&(b !./O KZ p D E F B&A s(&q K D E F D&A o G$*_ E E 8(rF$&,rB$)$)=?AZ P=K a a q o B E F B&A K?$a !./O KyNx清 华 大 学 学 报Q自 然 科 学 版

23、Y./I!O I Q N Y 万方数据嵌入式CPU软硬件协同开发中的操作系统设计嵌入式CPU软硬件协同开发中的操作系统设计作者：董渊，王生原，陈嘉，田金兰，张素琴，Dong Yuan，WANG Shengyuan，CHEN Jia，TIAN Jinlan，Zhang Suqin作者单位：清华大学计算机科学与技术系,北京,100084刊名：清华大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY)年，卷(期)：2005,45(7)参考文献(7条)参考文献(7条)1.Wolf H W A decade of ha

24、rdware/software codesigh 20032.Busybox Group BusyBox:The Swiss Army Knife of Embedded Linux 20043.uClibc Group AC Library for Embedded Linux 20044.Farquhar E;Bunce P The MIPS Programmers Handbook 19945.Jain P P Cost-effective Co-verification using RTL-accurate C models外文会议 19996.Semeria L;Ghosh A Methodology for hardware/software Co-verification in C/C+外文会议 20007.Synopsys Hardware/Software Co-design 2003 本文链接：http:/