BSP基本概念.pdf
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1、1 BSP概述B S P 即B o a r d S u p p o r t P a c k a g e,板级支持包。它来源于嵌入式操作系统与硬件无关的设计思想,操作系统被设计为运行在虚拟的硬件平台上。对于具体的硬件平台,与硬件相关的代码都被封装在B S P 中,由B S P 向上提供虚拟的硬件平台,B S P 与操作系统通过定义好的接口进行交互。B S P 是所有与硬件相关的代码体的集合。一个成熟的商用操作系统,其被广泛应用的必要条件之一就是能够支持众多的硬件平台,并实现应用程序的硬件无关性。一般来说,这种无关性都是由操作系统实现的。但对于嵌入式系统来说,它没有像P C 机那样具有广泛使用的各
2、种工业标准、统一的硬件结构。各种嵌入式系统各不同的应用需求就决定了它一般都选用各自定制的硬件环境,每种嵌入式系统从核心的处理器到外部芯片在硬件结构上都有很大的不同。这种诸多变化的硬件环境就决定了无法完全由操作系统来实现上层软件与底层硬件之间的无关性。因此各种商用实时操作系统,都采用了分层设计的方法,它将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来,称之为B o a r d S u p p o r t P a c k a g e,简称为B S P。顾名思义,B S P 是针对某个特定的单板而设计的。如果没有单板支持软件包,则操作系统就不能在单板上运行。并且它对于用户(指开发者)也是开放的,用户可以根据
3、不同的硬件需求对其作改动或二次开发。B S P 在嵌入式系统中的角色,很相似于在P C 系统中的B I O S 和驱动程序的地位。B S P 的具体结构和组成根据不同的嵌入式操作系统而不同。B S P 的开发要求设计人员具备软硬件方面的综合知识。B S P 软件与其他软件的最大区别在于B S P 软件有一整套模板和格式,开发人员必须严格遵守,不允许任意发挥。在 B S P 软件中,绝大部分文件的文件名和所要完成的功能都是固定的。所以,B S P 软件的开发一般来说都是在一个基本成型的B S P 软件上进行修改,以适应不同单板的需求。针对某类C P U 的硬件单板,嵌入式操作系统(如 vx W
4、o rk s)通常提供有其DE M O板的B S P,这些程序位于指定的目录之下。也就是我们所说的最小系统B S P。一般来说,我们在硬件系统设计好之后,都会先找到个与自己系统相近的DE M O 板 B S P (最起码是使用相同的C P U)。并以此为基础,开发自己单板的B S P。A定义B S P 就是为软件操作系统正常运行提供最基本、最原始的硬件操作的软件模块,它和操作系统息息相关,但又不属于操作系统的一部分。B S P 可以分为三大部分:1:系统上电时的硬件初始化。2:为操作系统访问硬件驱动程序提供支持。3:集成的硬件相关和硬件无关的操作系统所需的软件模块。BSP的表现形式B S P
5、主要以两种形式来表现:1:源 代 码(C代码、汇编代码)、系统编译连接依靠文件。2:二进制的目标代码和目标代码库。ABSP在软件系统中的位置B S P在软件系统中的位置可以用下图来表示,B S P为操作系统和硬件设备的互操作建了一个桥梁,操作系统通过BSP来完成对指定硬件的配置和管理。BSP向上层提供的接口有 与操作系统内核的接口(如报告DRAM大小、修改中断屏蔽级别等)与操作系统的I/O系统的接口 与应用程序的接口CPU最小系统BSP的定义广义上讲,单板中所有需要CPU控制的硬件的程序,都属于单板B S P,但是,为了调试方便和软件的模块化,我们通常就将与此单板最小系统相关的程序简称为B S
6、P,而将其他程序称为驱动程序。对于嵌入式系统来说,所谓最小系统就是一个包含:CPU,Bootrom,RAM,系统时钟,网口,串口的计算机运行环境。这样,最小系统BSP就包含了 CPU系统的初始化程序以及网口,串口,系统时钟等设备的驱动程序。BSP的主要功能B S P的主要功能在于配置系统硬件使其工作于正常的状态,完成硬件与软件之间的数据交互,为OS及上层应用程序提供一个与硬件无关的软件平台。因此从执行角度来说,其可以分为两大部分:1)目标板启动时的硬件初始化及多任务环境的初始化2)目标板上控制各个硬件设备正常运行的设备驱动程序,由它来完成硬件与软件之间的信息交互通常我们认为BSP是 为O S服
7、务的,但实际上,BSP软件包中的部分程序对OS也并不是必须的,从这个角度,又可以将BSP划分为两部分:1)最小系统B S P,即我们通常所称的BSP2)设备驱动程序A开 发BSP需要的条件 目标硬件:硬件调测完毕,经过必要的软件测试 必要的硬件设计文档:如地址空间的分布,CPU和其他芯片的工作模式等。操作系统 交叉开发工具:编译器、汇编器、链接器等 下载机制:bootrom或仿真器等2 BSP实际开发的主要过程1.掌握开发中使用的操作系统,和在这种操作系统下开发BSP的要求。2.研读所选CPU的资料。3.研读硬件设计文挡。4.研读电路板中器件的资料 1 15.找一个BSP模板,熟悉它并在此基础
8、上开发自己的BSP。从头研制BSP工作量极大,也没有必要。6.利用仿真器进行调试,开发最小BSP系统。7.在最小BSP的 基 础 匕 利 用Tornado集成开发环境,进一步调试外围设备,配置、完善系统。8.调试单板上的设备驱动程序。3 BSP的调试方法(最小系统的调试和设备驱动程序的调试)3.1 仿真器调试方式:在串口和网口初始化及发挥功能以前,用仿真器调试是一种相对来讲很方便的手段。BSP软件的调试通常需要利用仿真器来进行。目前市场上的大多数仿真器都能支持JTAG接口。典型的仿真器调试环境如下图所示:E N E T调试计算机通过R S 2 3 2接口与仿真器相连,完成对仿真器的初始化配置工
9、作,通常这项工作只在第一次使用仿真器时进行,配置结果一般会被仿真器存储起来。仿真器通过以太网口与调试计算机相连,通 过J T A G接口与目标板相连,利用这条通路,仿真器就可将计算机上的程序下载到目标板上进行调试。目标板上的串口和以太网口为被调试的对象,和调试计算机相连,主要是可以通过调试计算机检验目标板上的接口是否工作正常在仿真器环境下,既可以调试v x W o r k s映象,也可以调试b o o t r o m映象。当调 试B o o t R o m映象时,需要修改C O N F I G.H和M A K E F I L E文件将这段代码定位到R A M中,然后通过仿真器下载到目标板上的R
10、 A M中进行调试。目前常用的有两类仿真器,一 是 JT A G 仿真器,二是全功能在线仿真器。前者是利用处理器中的调试模块的功能,通过其JTAG边界扫描口来与仿真器连接。这种方式的仿真器比较便宜,连接比较方便。但由于仅通过十几条线来调试,因而功能有局限。对于全功能在线仿真器来说,由于其仿真头完全取代目标板上的C P U,因而功能非常强大。这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器,通常必须采用极其复杂的设计和工艺,因而其价格比较昂贵。3.2“黑”调在没有仿真器的情况下一般使用“黑”调,具体的方法是加“指示灯”、用示波器测量硬件信号等,目的是打通串口,达到宿主机与目标机的通信。
11、这种调试方法无法跟踪软件的运行这种调试方法要求所使用的BSP模板与自己的单板基本致。“黑”调的工程步骤:3.3使用集成开发环境在进行VxWorks下 BSP开发时,如果最小系统的BSP已经能够正常运行,则可以使用VxWorks的集成开发环境Tornado。Tornado II工具提供一个高度可视化和自动化的开发环境,加快了基于VxWorks的应用开发。这样,不论对于初次使用还是有经验的开发者,使m Tornado II开发其应用是快速而方便的。WindPower ToolsThirty-Party ToolsH O STTornado PluflnsIn-Line Hypertextffind
12、SKttindViewWindConficemulation EnvironmedV x S INCrossVindBroserEthernetTarget M W orksScacable RuntimeReal-Time Em beddedApplicationNetworks FileSubsystem SystemI/O T arset _,Dependent,MtemTools.POSIimraryP ow erP CS tron cA E MM IP SIntelW indI Micrc-KHiTiel I4中断处理4.1 采用中断处理方式的原因:保证处理的实时性、减少C P U
13、的消耗。4.2 中断的处理流程中断处理程序首先切换到中断堆栈,保存程序计数器和寄存器等中断现场状态,然后对中断进行处理,中断处理过程中必须要及时清除中断源,最后要恢复中断前的程序计数器和寄存器等现场状态,由中断处理程序返回。InterruptVector TableInterrupt ServiceRoutine(ISR)User ISRvectornumber“hardwareRETI n t er r u p t S er v ice C o d e实时系统中的中断处理非常重要,系统通常通过中断获取外部事件。为了尽可能块的响应中断,V x W o r k s 中的I S R s 运行在特定
14、的上下文(非任务上下文),中断处理无需任务的上下文切换。我们可以使用除了 V x W o r k s 系统使用的之外的系统硬件中断,V x W o r k s 提供了例程in t C o n n ect ()用于将C程序与任何中断相连接。V x W o r k s 的 I S R s 运行在特定的上下文(x 8 6中断使用当前被中断掉的任务的堆栈,P P C 有单独的全局中断堆栈)因而中断处理没有任务的上下文切换。4.3 中断的堆栈大部分系统规定(如 P o w er P C):所有的中断使用同一个专用堆栈,这个堆栈在系统启动时根据特定的配置参数由系统来分配和初始化。要求堆栈足够大来处理最坏的
15、中断嵌套。然而有一些系统不允许有单独的中断堆栈(如 x 8 6),在这种情况下,中断使用当前被中断掉的任务的堆栈。如果使用这种结构,必须给每个任务开足够大的任务堆栈来处理最坏的中断嵌套和调用嵌套。可以在开发中使用checkStackO来查看在栈空间中任务和中断的堆栈是如何分布的。4.4 IS R的一些限制1、ISR要尽量的短,能在任务中完成的工作就不要放在ISR中。2、ISR不能调用将会导致阻塞的子程序。3、ISR不能ta k e 信号量,但 是 ISR可以give信号量。4、由于子程序malloc 0、free()使用了信号量,ISR不能调用它们。5、ISR不能通过VxWorks的驱动执行I
16、/O。6、ISR不能调用使用了浮点协处理器的子程序。在 ISR 中不能调用的函数列表参见:VxWorks Programmer Guide中 2.5.3 Special Limitations ofISRso4.5中断服务程序与任务的通信由于中断事件通常涉及到任务级代码,因此必须提供中断服务程序和一般任务的通信机制。VxWorks提供的中断服务程序和一般任务的通讯机制有:A 共享存储区和环形缓冲A 信号量:中断服务程序能够释放信号量(不包括互斥信号量和VxMP共享信号量),任务能够等待该信号量。A 消息队列,中断服务程序能够向消息队列发送消息,任务能够从消息队列里接收消息。A 管道:中断服务程
17、序可以向管道写数据,任务可以从管道读取数据。A 信号:中断服务程序能够通过发信号通知任务,触发相应的信号处理程序的异步调度。5常用总线协议:AHDLC、High-level data link control(HDLC)is one of the most common protocols in the data linklayer,layer 2 of the OSI model.8 bits 16 bits 8 bits 8n bits 16 bits 8 bitsOpening FlagAddressControlInformation(Optional)CRCClosing FlagF
18、igure 21-1.HDLC Framing StructureAUART、universal asynchronous receiver transmitter(UART)protocol is commonly used tosend low-speed data between devices.Ethernet/IEEE 802.3、Frarro Length is 64-1518 BylesPreairtleStart FrameCteliritecD&stin疝onAddressSourceAiireBSType;LenhDataFrame ChadSequence7 Bytes
19、GBytes GByles 2 Bys 4G-1500 Bylee 4 ByleeNOTE The Isb of each octet B transmiued firstFigure 24-1.Ethernet Frame StructureAATM、PCkI2CSPI(motorola:Serial Peripheral Interface)exchange data between cpu and peripheral devices(such as EEPROMs,real-time clocks,A/D)converters,and ISDN devices.5.1 PCI总线简介P
20、CI:周边器件互联(Peripheral Component Interconnect)目前最新版本2.2,但很多器件还只支持2.1。PCI与器件的基本关系。Host/PCI北桥:连接主处理器总线到PCI总线 PCI/ISA南桥:连接PCI总线到ISA(或EISA)总线,南桥通常含IDE控制器、中断控制器、USB主控制器、D M A 控制器。A PCI/PCI:连接PCI总线到PCI总线设备和功能:支持256个PCI总线。每条PCI总线上最多可以有32个设备(最多56个比较合适)。每个设备可以有18个功能。性能:33M,32bit 传输速率 132MB33M,64bit 传输速率264MB66
21、M.32bit 传输速率264MB66M,64bit 传输速率 528MB6单板的硬件组成BSP与单板密切相关,要开发BSP就要了解单板的硬件组成,单板一般由CPU最小系统和一些外围硬件设备构成。CPU最小系统:CPU、内存、内存控制器、调试串口、调试网口、系统时钟、桥片、外围芯片(包括)、实时时钟、定时器、FPGA、部分嵌入式系统也包括软硬盘控制器、显卡、键盘。不同单板使用不同的专用设备芯片:DMA控制器、E l传输芯片、光接口芯片、时隙交换、FLASH、host/pci桥 片 pci/pci桥片、以太网口芯片(如 intel的 82559realtek的 8139)、以太网口交换芯片(BC
22、M5616)、CSM5000、CSM 5500,看门狗、专用FPGA逻辑等等。典型的单板组成示意图:AIS95/1X中的SVICM单板组成示意图(VP)BO O T|R E S E T|S D R AM 一jMPC8rA3G系统中的CPU最小系统结构示意/RCSO、LOCAL ADDRESS监控LEDA/CS_BOOTPMC P14连接器FLASHSDRAMUART控制器BOOT LASH512KB1/CSJJARTCPUP-T EOW c UPCI 接口由HOST/PCI那通GdllqzTZHKeePMC P11/P12A-1WZE-RS232-PCIIZ260U-IETHERNET 接口转
23、换芯片A 3G系统中的C C M 单板结构示意7处理器:我们目前经常使用的处理器:POWERPC、ARM、MIPS、x86等系列处理器 POWERPC:Mpc860、Mpc8260、Mpc850、Mpc8250、Mpc755、Mpc8245、Mpc7450、IBM750ARM:IXP1200、IXC1100X86:(Pill 处理器)各处理器的特点(见硬件相关文档):嵌入式系统使用的CPU 一般具有低功耗、体积小、集成度高等特点,而且一般内部集成了内存控制器、串口控制器、以太网口控制器等芯片。例如:MPC8260POWERQUICCH是一个功能强大的嵌入式通讯处理器,它集成了一个64-bit高
24、性能的PowerPC系 列 的 RISC微处理器和一个32-bit的 RISC通讯处理器。同MPC860一样,MPC8260由三个主要功能块组成,但它具有更强大的功能:一个64-bit的内核,是 PowerPC MPC603e微处理器的变种。它的处理速度可达100200MHz,并支持 L2 cache 一个系统接口单元(SIU)它具有一个更加灵活的存储器控制器,可以与几乎所有类型的存储器接口。并支持JTAG控 制 器 IEEE 1149.1测试端口(TAP)。一个通信处理模块。它不仅包含了 MPC860上的所用通信外围控制器,还增加了三个高性能通信通道(FCC)支持新的高速协议,两个多通道控制
25、器(MCC)可 支 持 128个串行全双工通道。Figure 1-1.MPC8260 Block Diagram8 BSP提供的vxWorks下的设备驱动BSP的另一项主要任务是为操作系统访问硬件设备驱动程序提供支持。所谓设备是指独立于处理器内核之外的,能够接收CPU的输入数据和/或向CPU提供数据输出的硬件单元。8.1 网口、串口的设备驱动对于一些通用的设备,如网口、串口,由于包含在BSP最小系统内,vxWorks都会提供基本的驱动程序。常用的串口设备驱动程序参见目录tornadotargetsrcdrvsio,网口设备驱动程序参见目录tornadotargetsrcdrvend。这些驱动程
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