基于ARM920T內(nèi)核的RISC嵌入式CPU解析方案
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202354.htm在當(dāng)今后PC時代,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用得越來越廣泛,嵌入式產(chǎn)品充斥著許多領(lǐng)域,日常生活的手機,MP4,PDA等都屬于典型的嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)中,微處理器和操作系統(tǒng)是進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)。在微處理器方面,S3C2410是Samsung公司推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位 RISC嵌入式CPU,主要面向手持設(shè)備以及高性價比、低功耗的應(yīng)用。在操作系統(tǒng)方面,Windows CE 5.0是由微軟提供的一款嵌入式操作系統(tǒng),在Windows CE 4.2基礎(chǔ)上,它又加入了一些新特性以滿足市場需求。板級支持包 (Board Support Package,BSP)是操作系統(tǒng)的一個組成部分,提供對硬件的支持。BSP的開發(fā)在整個產(chǎn)品開發(fā)時間上占了很大比例,快速的移植滿足產(chǎn)品需求的BSP 在競爭激烈的市場環(huán)境里顯得很重要。目前已有許多關(guān)于S3C2410、Windows CE以及BSP相關(guān)的研究報道,文獻(xiàn)[1]研究基于s3c2410的GPS通信技術(shù)及實現(xiàn),文獻(xiàn)[2]中詳盡分析Windows CE的結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[3]中歸納了Windows CE 4.2專用操作系統(tǒng)的定制和裁剪方法,文獻(xiàn)[4]則探討基于DSP嵌入式多媒體應(yīng)用系統(tǒng)板級支持包的開發(fā)。目前關(guān)于Windows CE的應(yīng)用主要采用Windows CE 4.2及以下版本,本文研究基于S3C2410的Windows CE 5.0 BSP移植技術(shù)。
2 Windows CE 5.0及BSP結(jié)構(gòu)分析
移植基于S3C2410的Windows CE 5.0 BSP,需要分析Windows CE 5.0 及BSP結(jié)構(gòu)。Windows CE 5.0是一款開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng),具有高可靠性,是一種硬實時嵌入式操作系統(tǒng),它可以在多種處理器架構(gòu)(如x86、MIPS、ARM和 SH4)上運行,Windows CE支持ARM體系結(jié)構(gòu),這是基于S3C2410 處理器進(jìn)行BSP移植的前提條件。Windows CE 5.0 BSP通常包含以下幾部分:Bootloader,OAL(OEM adaptation layer),設(shè)備驅(qū)動程序,配置文件等。
BootLoader是加電即運行的一段程序,它初始化硬件,建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射,為最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備。在Windows CE 5.0系統(tǒng)中,它主要用于下載和啟動鏡像nk.bin,也就是兩種工作模式:啟動加載模式:用戶最終使用的產(chǎn)品即為該模式;下載模式:鏡像首先被bootloader下載到目標(biāo)機的RAM中,然后被固化到Flash。
設(shè)備驅(qū)動程序按照導(dǎo)出的接口不同可分為:本機驅(qū)動程序以及流接口驅(qū)動程序.本機驅(qū)動程序有GEWS.exe加載的鼠標(biāo),鍵盤,觸摸屏,顯示驅(qū)動等。而流接口驅(qū)動程序使用一組流函數(shù)來實現(xiàn),通常由Device.exe加載,如網(wǎng)卡,聲卡,USB等。
OAL是邏輯上駐留在Windows CE內(nèi)核與目標(biāo)設(shè)備之間的代碼層,在物理上OAL與內(nèi)核庫連接來產(chǎn)生內(nèi)核可執(zhí)行文件。OAL簡化了操作系統(tǒng)與目標(biāo)代碼之間的通信,OAL代碼用來處理中斷,記時器,電源管理,通用I/O控制等[5]。
Configuration File里面包含的是與生成的鏡像相關(guān)的配置信息。
移植Windows CE下S3C2410對應(yīng)的BSP,就是修改Windows CE自帶的BSP或者修改硬件平臺以前版本的BSP的幾個主要組成部分,使得BSP能有效支持硬件系統(tǒng)。
3 BSP移植
如果從零開始開發(fā)Widows CE 5.0 BSP,則需要相當(dāng)長的時間。通常的做法是:(1)將自己硬件平臺基于Windows CE 4.2及以前版本的BSP移植到Windows CE 5.0系統(tǒng)上;⑵從Windows CE 5.0 BSP中尋找與硬件平臺最接近的作為模板,然后再從自己的硬件平臺上入手做相應(yīng)的修改,從而得到可以在自己系統(tǒng)上使用的BSP。本文探討的BSP移植屬于第一種情況。
本次移植平臺采用的是深圳英蓓特公司的EdukitIII實驗箱,微處理器是S3C2410,外帶64M NAND Flash芯片等相關(guān)硬件資源。軟件資源有:edukit2410包(Windows CE 4.2版本下的BSP)。
3.1 bootloader移植
bootloader的執(zhí)行流程如下:
(1)執(zhí)行startup.s:對CPU,內(nèi)存控制器,Cache等做一些基本的初始化。
(2)初始化串口:調(diào)用函數(shù)OEMInitDebugSerial()來完成。
(3)初始化平臺:調(diào)用函數(shù)OEMPlatformInit(),主要對所需硬件資源進(jìn)行初始化,通常包括:以太網(wǎng)控制器(CS8900A)、系統(tǒng)時鐘、存儲設(shè)備以及其他一些外圍設(shè)備。
(4)調(diào)用函數(shù)OEMPreDownload():做一些準(zhǔn)備工作如獲取IP地址,初始化TFTP連接等。
(5)執(zhí)行函數(shù)DownloadImage():下載鏡像到SDRAM中。
(6)調(diào)用OEMLaunch()函數(shù)啟動操作映像。
其中startup.s,OEMInitDebugSerial()可以與OAL共享使用,兩函數(shù)的修改在OAL移植過程中敘述。
Bootloader移植主要過程有:
(1)修改相應(yīng)的dir,source文件,下面列出部分庫路徑:
TARGETLIBS=
$(_TARGETPLATROOT)lib$(_CPUINDPATH)csp_arm.lib
$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUDEPPATH)eboot.lib
$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH)cs8900dbg.lib
其中csp_arm.lib這個庫只存在于Windows CE 4.2的$(_PUBLICOAKROOT),是ARM體系結(jié)構(gòu)鏈接庫之一,在Windows CE 4.2系統(tǒng)下位于PUBLIC目錄,而在Windows CE 5.0系統(tǒng)下存在于PLATFORM,導(dǎo)致編譯系統(tǒng)找不到該庫文件,因此,修改這個庫的鏈接路徑,使得Platform builder這個編譯系統(tǒng)能夠找到這個鏈接庫。
(2)修改makefile.inc,因為該文件指定生成eboot.bin(Ethernet bootloader鏡像)所需要的文件以及拷貝eboot.bin到releasedir目錄,其中:
romimage $(_TARGETPLATROOT)ebootoot.bib
為生成生成eboot.bin所需要的配置文件,否則,系統(tǒng)通過編譯卻無法生成eboot.bin.
(3)修改boot.bib,使其不與config.bib中的內(nèi)存分配造成沖突。
(4)改進(jìn)eboot,因為eboot燒寫NK.BIN(OS鏡像)的時候會查找BINFS分區(qū),然后把下載的image燒寫到BINFS分區(qū)。如果沒有找到現(xiàn)存的BINFS分區(qū),eboot會低格NAND FLASH,并創(chuàng)建MBR(main boot record),在MBR中有分區(qū)表。目前最多支持4個分區(qū),而BINFS分區(qū)的大小是以NK.BIN展開的大小按block對齊,所以會出現(xiàn)個問題,當(dāng)修改過重新生成的NK.BIN比之前寫進(jìn)NAND FLASH的IMAGE大并且超出block對齊的時候,將會導(dǎo)致燒寫新的NK.BIN失敗,我們可以通過每次下載燒寫NK.BIN前先低格NAND FLASH來解決這個問題,但顯然這不是妥善的解決方法,增加用戶使用復(fù)雜度,所以我們可以把BINFS分區(qū)的大小固定,而這個固定的大小可以參考生成 NK.BIN的config.bib中定義的ROMSIZE,這樣無論NK怎么修改,BINFS一經(jīng)創(chuàng)建無需更改,eboot把NK寫進(jìn)NAND FLASH之后,會把剩余的FREE空間創(chuàng)建一個FAT分區(qū),如果我們要實現(xiàn)HIVE REGISTRY就可以把這個分區(qū)mounts成MountAsBootable。
3.2 OAL移植
OAL的移植過程中,OEM主要實現(xiàn)以下幾個函數(shù):Startup.s,調(diào)試串口函數(shù),OEMInit函數(shù),系統(tǒng)時鐘函數(shù),中斷處理函數(shù)等。
(1)修改Startup.s,此函數(shù)為OS啟動時第一個要調(diào)用的函數(shù),也是OEM要實現(xiàn)的重要函數(shù)之一,主要完成的功能是:將CPU初試化到一種已知的狀態(tài);并調(diào)用內(nèi)核初始化函數(shù)kernelstart。Startup.s需要修改,修改后的部分代碼如下:
……
ldr r0, = 0X4A000008
ldr r1, = 0xffffffff ; 禁止所有中斷
str r1, [r0]
ldr r0, = 0X4A00001C
ldr r1, = 0x7ff ; 禁止所有子中斷
str r1, [r0]
……..
add r0, pc, #g_oalAddressTable - (. + 8)
bl KernelStart //跳轉(zhuǎn)到KernelStart
(2)修改串口調(diào)試函數(shù)。執(zhí)行完Startup.s,系統(tǒng)就跳轉(zhuǎn)到Kernelstart函數(shù),位于private目錄,該函數(shù)第一個任務(wù)就是初始化串調(diào)試口,否則,就無法進(jìn)行后面的調(diào)試工作。其中OEMReadDebugByte, OEMWriteDebugByte, OEMWriteDebugString不用做修改,需要注意的是OEMInitDebugSerial,選UART0,UART1的寄存器配置不一樣,若選用UART0,使用配置:
s2410IOP->rGPHCON = ~((3 4) | (3 6));
s2410IOP->rGPHCON |= ((2 4) | (2 6));
而選擇UART1,則使用配置的是:
s2410IOP->rGPHCON = ~((3 8) | (3 10));
s2410IOP->rGPHCON |= ((2 8) | (2 10));
(3)實現(xiàn)OEMInit(),該函數(shù)將調(diào)用以下函數(shù):OALCacheGlobalsInit(),OALIntrInit(),OALTimerInit(),OALKitlStart()來初始化Cache Global,中斷,時鐘,啟動KITL,實現(xiàn)代碼如下:
void OEMInit()
{
OALCacheGlobalsInit();// 初試化cache globals
if (!OALIntrInit()) {
OALMSG(OAL_ERROR, (
LERROR: OEMInit: failed to initialize interrupts
));
} // 初試化中斷
OALTimerInit(1, S3C2410X_PCLK/2000, 0); // 初始化時鐘
OALKitlStart();// 初始化KITL
}
(4)實現(xiàn)OALTimerInit(),該函數(shù)用于初始化OS TIMER,設(shè)置每毫秒產(chǎn)生一個System tick,為系統(tǒng)計數(shù),觸發(fā)進(jìn)程調(diào)度。由CPU的運行主頻和硬件定時器資源來確定,執(zhí)行過程有:初始化時鐘狀態(tài)全局變量,初始化高分辨率時鐘函數(shù)指針,使能TIMER。
(5)實現(xiàn)中斷處理處理函數(shù):OALIntrInit(),該函數(shù)通常先初始化中斷映射表,因為WINCE為了模塊化,把平臺相關(guān)物理中斷號和系統(tǒng)中斷號建立映射。然后清除外部中斷,內(nèi)部中斷等。
3.3 驅(qū)動移植
以觸摸屏為例,來探討Windows CE 5.0系統(tǒng)驅(qū)動程序移植。這里以三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2410觸摸屏接口為基礎(chǔ),通過外接4線電阻式觸摸屏構(gòu)成硬件基礎(chǔ),整個觸摸屏由橫向電阻線和縱向電阻線組成。觸摸屏驅(qū)動的主要函數(shù)組成有:
TSP_Poweron 該函數(shù)將執(zhí)行觸摸屏的一些初始化,主要是寄存器的配置。
DdsiTouchPanelEnable:使能DDSI接口,使得硬件能將流數(shù)據(jù)提供給DDSI接口,就可以實現(xiàn)觸摸的操作了。
DdsiTouchPanelSetMode:模式設(shè)置函數(shù),設(shè)置觸摸屏是高采樣率還是低采樣率
DdsiTouchPanelGetPoint :觸摸屏進(jìn)行采樣函數(shù)
TSP_CalibrationPointGet:坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù),該函數(shù)實現(xiàn)將從AD采樣植轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)。
移植主要過程:
(1)修改source文件,要添加如下庫文件:
TARGETLIBS=$(_COMMONSDKROOT)lib$(_CPUINDPATH)coredll.lib
SOURCELIBS=
$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH) ch_cal.lib
$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH) chmdd.lib
因為這個驅(qū)動在Windows CE 4.2下面是在Public目錄,而這里將該觸摸屏移到了Platform下面,在Windows CE4.2下面是沒有以上三條鏈接庫,但Platform,Public編譯路徑,先決條件都不同。因此引用的庫不一樣。
(2)刪除如下庫文件:
$(_TARGETPLATROOT)lib$(_CPUINDPATH)drvlib.lib
該庫在Windows CE 4.2系統(tǒng)下為觸摸屏與音頻共用庫,但在Windows CE5.0系統(tǒng)下,這個庫已經(jīng)不是必要的并且已經(jīng)不存在了,所以刪除掉,否則系統(tǒng)會出編譯錯誤。
(3)修改platform.bib,將我們移植過來的驅(qū)動dll包含到nk.bin中
(4)修改platform.reg,其中CalibrationData是觸摸屏的一個參數(shù):
[HKEY_LOCAL_MACHINEHARDWAREDEVICEMAPTOUCH]
MaxCalError=dword:7
portrait
CalibrationData=517,610 897,934 142,936 129,290 891,285
其他驅(qū)動的過程與觸摸屏類似。
3.4 移植小結(jié)
此次移植是升級BSP,而硬件上基本沒有變化,因此很多代碼不需做修改即可使用,通過以上移植,不難發(fā)現(xiàn)此類移植BSP過程中所要做的工作主要在以下幾個方面:
(1)修改dir文件,在dir文件中指定了當(dāng)前目錄哪些文件夾被系統(tǒng)編譯,編譯器根據(jù)dir層層搜索,而移植BSP不可避免的帶來了目錄的變化,通過修改dir來指定新的編譯路徑。
(2)修改sources文件,在sources文件中,指定了編譯類型有PLATFORM,OAK;編譯的時候引用的庫sourcelib,targetlib不一樣,移植的時候一定得注意。目標(biāo)文件類型有Library,Dynlink,program;include字段包含的則是編譯時候所需要的頭文件目錄。有個比較特殊的sources是位于Platform(例如smdk2410)下的sources.cmn,它包含了該平臺的通用庫,頭文件路徑,這個文件在移植過程中需要修改的,否則,編譯出錯。
(3)修改platform.bib,platform.reg等文件,因為這兩個文件決定了鏡像中包含哪些模塊(dll)以及注冊表相關(guān)信息,驅(qū)動移植的過程中,每個模塊的改動都需要修改這兩個配置文件。
(4)驅(qū)動源文件中的頭文件的修改以及函數(shù),變量修改等,這些依據(jù)編譯時候出現(xiàn)的錯誤來確定。
除此之外,各部分的移植還需特別注意的地方有:
Bootloader部分:因為bootloader下載,燒寫,啟動鏡像過程會涉及到內(nèi)存地址的問題,各種入口地址不能出錯誤,以及內(nèi)存超出范圍,沖突都需要特別小心。尤其是g_oalAddressTable這個表,這個表定義了物理地址虛擬地址之間的轉(zhuǎn)換以及內(nèi)存的大小,如果設(shè)置不正確,將出現(xiàn)校驗錯誤,下載失敗或者鏡像無法啟動等錯誤。
OAL部分:startup.s以及OEMInitDebugSerial兩函數(shù)需要特別注意,這兩個主要是初始化硬件及串口,這是系統(tǒng)運行及驅(qū)動調(diào)試的基礎(chǔ),如果硬件配置以及調(diào)試串口有改變,則需要適當(dāng)?shù)男薷?。此次BSP移植,因硬件平臺沒有變化,因此OAL部分很多代碼無須修改即可使用。
驅(qū)動部分:Windows CE4.2與Windows CE5.0的結(jié)構(gòu),庫有了很大的改變,因此需要修改引用庫路徑,以及頭文件的引用路徑,大部分驅(qū)動都將會遇到這樣的問題。
4 結(jié)束語
本文創(chuàng)新點:通過對BSP結(jié)構(gòu)分析,將具體平臺的Windows CE 4.2 BSP移植到Windows CE 5.0版本,包括移植bootloader,OAL,驅(qū)動程序,使之能夠通過編譯并生成鏡像,已經(jīng)能在平臺上成功運行。通過這次移植,使筆者體會到BSP 移植是一個挺復(fù)雜,煩瑣的過程,因Windows CE 5.0跟Windows CE 4.2 BSP包的組織結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致很多鏈接庫無法找到或者是這些庫已經(jīng)被替換,刪除,只有耐心的根據(jù)這些錯誤提示來定位,有時候也需要去makefile里去找答案。不過移植BSP比重新開發(fā)BSP更加節(jié)省開發(fā)時間,從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)。
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