实时操作系统bsp的分析与实现.pdf

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1、收稿日期：!#$%$!作者简介：吕冬明&#%$(，女，江苏泰兴人，硕士生)文章编号：#*$+,*&!(#$!$-图#微内核结构应用程序层&./01234156 738594(&:;54249?846 保护子系统(设备驱动层&A;1B;C363D;(微内核&C12;5 EF:的分析与实现吕冬明#，廖忠!&#)河海大学，江苏 南京!#,；!)南昌水利水电高等专科学校，江西 南昌 II!(摘要：对嵌入式时操作系统&JKL$J30$K1F L/84:$H53;=9/5;4:32M3D 进行了比较，分析讨论了 H:和设备驱动程序&A;1B;(的关系，重点指出板级支持包是基于处理器类型，而设备驱动则是基于

2、具体的操作系统，并结合 P16=J1B:的具体流程)关键词：实时操作系统；板级支持包；镜像；驱动；初始化中图分类号：K:I#*)!文献标识码：.!引言近年来，实时操作系统在网络通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制等各个领域得到广泛的应用，并越来越引起人们的重视)目前，国内使用的 JKL 主要有 QRP5;M 和:L，还有 S9203;、TSU、P162 提供了板级支持包&H:(，提供了支持标准硬件板和用户硬件板的机制)每个 H:提供了一种软件模板，其中既包括设备驱动程序的抽象结构代码&.?4;324;.;2V14249;25=以源代码形式提供了许多板级支持包以及通用模板)板级支持包是进行

3、开发设计的关键环节，开发人员应当对它有一个清晰的认识和理解)实时多任务操作系统&JKL(实时系统的实现多为微内核体系结构，如图#所示)这使得核心小巧而可靠，易于使用 JLC 固化，并方便的进行模块化扩展)微内核结构系统中，L 服务模块在独立的地址空间运行，所以，不同模块的内存错误便被隔离开来)但它也有弱点，进程间通信和上下文切换的开销大大增加)通过硬件抽象层，操作系统可以很容易地移植到其它硬件结构体系)当然用户需要根据自己的硬件结构写自己的硬件抽象层代码，这也就是指一般意义上 H:，这也是开发用户个人系统的关键环节)实时多任务操作系统&JKL(具有下面特点：JKL 支持多任务，并能够根据各个任

4、务的轻重缓急设置优先级，合理地在它们之间分配 N:X 和各种资源的占用时间)实时性，系统的监测、控制、通信等工作都要求实时性，一旦出现有关情况，N:X 能够及时响应，因此，一个实用的 JKL 都应具有完善的中断响应机制，保证中断响应潜伏时间足够短，在规定的时间内完成需要进行的工作#第!#卷第#期!年 I 月Q50)!#S5)#C3;)!南昌水专学报Y59;630 5Z S362V36D N500D 5Z P34;N56;B3628 36=G8=;5024;12:5;!#$%&()*!+(,-操作系统%./0)*!+(,-是美国的!#$(&(公司开发的一种高性能的嵌入式实时操作系统 1 它是目前

5、在世界上用户数量最大的实时操作系统，具有优越的技术性能、广泛的应用软件支持和可靠的系统稳定性 1)*!+(,-的主要性能特点有：23 高度可裁剪的微内核结构 456(+,(#73 1)*!+(,-所需要的存储器空间大约为 89:;?1 9:;AB9:4%C=3，具有极好的伸缩性 13 高效的多任务调度 1)*!+(,-支持中断驱动的优先级抢占式 4D(5DE&-6F$G7#H3 调度和时间片轮转调度4(+G$I(+J#-6F$G7#H3，具有确定的、快速的上下文切换的能力，具有 KA 个优先级 13 快速灵活的任务间通信 4#E(EL-,6+55G#6LE+#3 手段 1 支持信号灯 4-5L

6、DF+(-3、消息队列45-LHMGG-3、管道4DD3、信号4-H#L73和套接字4-+6,E3等进程间通信和互斥手段 13支持诸如环形缓冲4(#H JGNN(3和链表47#,7-E3等共享内存技术 1K3)*!+(,-是第一个集成标准.OP Q RP 网络功能的实时操作系统 1 到目前为止，)*!+(,-的.OP Q RP 协议支持最新的:(,7S 网络协议，RP，RT=P，TRU%，.OP，VUP，C%P；:/.P，UW0，UXOP，.Y.P；Y.P，%7+H#Z.7#E，%-F1A3P/0R2BB1 2J 兼容)*!+(,-，支持 P/0R2BB1 2J 规范以及 2BB1 23 驱动

7、程序 1 对于认为:0P 就是驱动程序的人来讲，通常接触的是嵌入式系统提供商提供的某种应用解决方案的应用系统 4.+EL7 0+7GE+3 1 在这种开发系统中:0P 完全有理由被认为是所有驱动程序，因为开发人员没有必要自己去开发驱动程序，而只是验证驱动程序在自己的系统中是否正确了事 13XC4XL($L(CJ-E(L6E LS(31 对于开发嵌入式/0 的人来讲，倾向于将:0P 看成是对硬件平台的抽象层4XC3和处理器的驱动程序更恰当 1实际上各种理解都只是侧重于某个方面，由于每个嵌入式系统提供商都根据自己的操作系统而提出对:0P 的不同理解，因此在涉及到:0P 的具体涵义时人们往往有一种似

8、是而非的感觉 1 实际是各种理解都有其道理，但由于出发点不同，对:0P 的理解都有失全面甚至有错误的地方，这也是初学者容易混淆的原因 1对于进行硬件和软件开发的员，第三种理解比较合适，后面的分析也是建立在这个基础之上的 1这里通过:0P4J+L($-GDD+(E DL6,LH3和:R/0_24JL-6 5DGE L#$+GEDGE-S-E53的对比来说明板级支持包的功能 1:0P 说的简单一点，就是一段启动代码，和计算机主板的:R/0 差不多，提供的功能却有较大差别，在通用 K2 等系列单片机开发的过程中，要有小段程序设置栈指针，软复位，中断屏蔽等等，可以把这段程序第 2 期吕冬明，廖忠：实时

9、操作系统:0P 的分析与实现图!#$%和&比较目标硬件主板#$%()*+,)$%()*+,)-%&板级支持包-.$%/基本输入输出0#$%/1%$%2 3456)70$%/8$%2 5*9:42 5*99;0初始化寄存器设置称为它的-%&，?8$=条，控制.$口的寄存器，片选信号等0，配置地址空间以及系统启动方式 从图!可以看出实时操作系统的-%&就相当于&的-.$%一般来说，对不同的微处理器板以及不同的#$%时就应该配置相应的-%&，-%&可以是已经做好了的，不需要开发人员去关心寄存器设置的细节 当然根据实际的要求也可以改写-%&来加入自己的特定功能 -%&可针对不同的硬件做不同的调整，相应

10、于&的-.$%，它完成对硬件的初始化工作，执行完后再将执行权交给#$%，%8=，片选0及与中断相关的寄存器进行正确配置即可-%&程序越简单越好，能放在主程序中初始化的功能尽量不要放在其中，-%&配置程序只要能够保证系统正常启动即可 大部分#$%带有针对不同微处理器的-%&程序，用户只要稍做修改即可移植到自己的开发应用中!板级支持包/-%&0和驱动程序/8)*+,)A0设备驱动程序B!C指用于处理、管理硬件控制器/69;)6DD,)0的代码 设备驱动程序是建立在具体的操作系统之上，如图!，而不是某种类型的处理器/E&0 类型，这点很重要、4GH，并且配置不同的操作系统 即使对于同一种类型的目标硬

11、件，不同的操作系统也要编写不同的-%&，对于驱动程序实际上是在操作系统的层次上对不同的设备控制器所写的代码 实时操作系统的驱动程序和&的相类似，#$%通常在-%&定义了一套自己的驱动程序接口，根据这些接口写相应的驱动程序 当然#$%和硬件较紧密，灵活性较大，开发人员完全可以抛开它提供的接口自己写，这同直接在 代码中调用-.$%提供的底层功能/如-.$%中断0写程序类似-%&通常可以认为是基于硬件平台的 当开发某个平台的、与硬件相关的程序时，往往不得不从设置某个寄存器的某个位开始编程 在嵌入式领域，这种情况更为明显，几乎所有的设备控制和各种协议控制都在同一个嵌入式 E&6),中，非常有利于对&E

12、 6),和设备进行抽象 如果能对&E 6),和设备的各种控制进行抽象，人们在移植$%或者开发驱动程序时就没有必要对&E 进行非常深入的了解，不必要了解某个寄存器的某个位是控制什么的，也没有必要了解怎样初始化某个控制寄存器等等 因此，-%&是一种能为程序开发人员提供对硬件进行描述性操作的开发支撑库 描述性操作是指在控制硬件时只需知道要完成什么，而不需要知道如何去完成，每个操作都是一些单一的动作 例如：对于设置一个串口的波特率，只需要知道是哪个串口，波特率是多少，而不需要知道要写哪一个寄存器以及如何写等 在利用-%&编写 8)*+,时，编程人员只需要了解该 8)*+,)的初始化顺序以及初始化的内容

13、而不需要了解初始化的具体细节就能完成驱动程序 可以大大的提高工作效率，并且对于硬件的具体细节设置是在驱动程序中最容易出错的地方，而采用-%&支撑库则可以大大的减少出错的可能性 在-%&支撑库中除了对硬件的描述性操作部分的代码外，还包含了对目标板的初始化部分、中断管理部分以及一些简单的驱动程序程序单元 这样的-%&可以不用依赖于任何的操作系统和驱动程序，但是可以作为操作系统和驱动程序的开发支撑库，可以非常方便的移植或者开发操作系统与驱动程序 在最好的情况下，操作系统与驱动程序的移植只需要更换相应平台下的-%&支撑库就完成了移植!I!JJ!年第 K期南昌水专学报!#$%&()*+,-./0-.12

14、!#$%&的()*主要功能：系统上电硬件初始化，提供!#$%&访问硬件驱动程序的支持，综合硬件无关和硬件相关的!#$%&软件+()*不是硬件驱动，对目标环境,-.%/0-0123%$401-5是特定的+组成部分：源文件,$6%70 83905；头文件,31796:0 83905 和编译生成文件,4.&0 83905；继承文件,:0%320:83905和二进制驱动模块,;31.%04?9.-05;?类型，针对目标硬件板进行选择，如*3:A*3:B-A 1:=CC+D5 选择合适的开发仿真工具，目前使用较广泛的有 E)的!33$1FGE 和!33$1*%$;0，都支持 H-./标准，可以在线 89

15、.I*%$/%.4431/+J5 确定要开发的生成镜像,34./05 的类型，%$4 34./0 还是 9$.:.;90 34./0+%$4 34./0 根据功能分为;$-34./0 和!#$%&K 根据加载过程为%$4 34./0L 把代码,7$:05 和数据,:.-.5 拷贝到%.4 区，然后执行；%$4 M%0:01-34./0L 仅把数据拷贝到%.4 区，代码在%$4 执行；根据是否压缩分为压缩型和非压缩型+N5 根据目标硬件配置确定系统的配置参数宏,4.7%$5A 在 7$483/+IA 4.&08390A;?1.40+I 文件中，这些文件在自己的;?目录下，通常的情况下开发人员只需

16、要对其中的宏参数进行配置并保持一致性，其他的通用参数由系统缺省完成+O5内核初始化之前的启动过程,如图 J5+($-、%$4 31./0 从%$4313-%$4-.%,5开始执行，是系统的入口，进行系统最小初始化工作，中断屏蔽，存储器初始化和设置系统堆栈指标+保存启动类型跳到%$4-.%,5A 把 2P$%&34./0 从%$4 拷贝到%$4，跳到 6Q%313-,5完成操作系统初始化+R$.:.;90 34./0 则是有系统的引导程序加载!#$%&34./0 到%.4A 跳到,5,5 M B%94F13-X TUVBEYBZT)5地址计算+系统的需要开发人员自定义的宏：RUGZRBVEVBR

17、UGZRBZT)BTZV 开始地址；RUGZRBVEVB)FEBTZV 大小；)ETBTE)ET!EBVEV M 在%.4 顶部保留的字节数，冷启动不清零；TZVBF_BZT)M 非驻留%$4,1$1 M TUV%03:01-5!#$%&;$-34./0 加载地址；TZVBRU#BZT)M 非驻留%$4!#$%&.?937.-3$1 34./0 加载地址；TUVBEYBZT)M($-TUV 入口地址；DO第=期吕冬明，廖忠：实时操作系统()*的分析与实现图 J内核初始化之前的启动过程!#$%&!(%)!*#$基地址；+,-./.01 2完成激活内核所需的最小初始化工作 3!4,56./.01

18、2把系统硬件一个静态的环境，由 78-/89./.01 2来激活:;2配置存储器1?8?=-42，中断1./08-A02，时钟10.?8-2对自己的 B,A 进行调试、修改、发布 3值得注意的是，在一般的情况下，开发人员不需要修改16./C-.D8-2 E 0F-G80 E H=/I.G8 E F99 和 H=?A,目录下的文件，只需要修改自己的 B,A/F?8 E 目录下的文件，有改变连接规则，可以修改?F78I.98 文件，控制系统的启动过程 3!结语本文讨论实时操作系统中板级支持包&!J 的概念，强调指出&!J 是基于不同的处理器类型，各种实时操作系统对不同的处理器提供了不同的板级支持包

19、 3 通过&!J，&K#!和)-.D8-对比，分析说明了板级支持包具体的功能作用，即要提供给操作系统一个无关的设备接口，让程序开发人员可以在不熟悉具体硬件的条件下，对硬件的寄存器进行正确的操作和配置 3 最后结合 F-?处理器，给出了编写:;3LPN 黄干平，陈洛资 3 计算机操作系统L$N3 北京：科学出版社，MOQO3#$%&($#)*+,%-+-#.$.(/#/0 123/04-$%56(+-7,-8$.(/#9 2&.-+R+)=/G*?./GMS RK#TU=/GP1M3 58UF.+/.D8-,.04S VF/W./G PMXXOQS YU./FZP3 VF/HUF/G F08-8

20、,=-H8,Y=998G8S VF/HUF/G XXPOS YU./F2:.8$;.K/0U8 AFA8-S&=F-C,AA=-0 AFH7FG81&!J2=I(?B8CC8C 8F9*.?8#A8-F0./G!4,08?.,H=?AF-8C 0=&K#!=I G8/8-F9 JY3 0 0U8 0.?8S 0U8 AFA8-F/F948,0U8-89F0.=/,U.A B80688/&!J F/C)-.8-,S F/C.0 8?AUF,.8,0UF00U8 BF,8.,04A8=I YJ+I=-&!J B0 F H=/H-808#A8-F0./G!4,08?I=-)-.D8-,3./F994.0 G.D8,F 0=0F9 I9=6=I U=6 0=B.9C F&!JS H=?B./8C 6.0U:;=-7,S#!=I/8)PXXP 年第 M期南昌水专学报1编 校：尹友林2