0 引 言

嵌入式系統(tǒng)需要支持的外部設備種類繁多，如何構造運行良好的嵌入式設備的驅(qū)動程序，對嵌入式操作系統(tǒng)的實際應用有重要意義。eCos是一種源代碼公開的實時嵌人式操作系統(tǒng)，對嵌入式應用具有良好的支持，內(nèi)核專門設計了便于設備驅(qū)動管理和開發(fā)的I／O包和DEV包，開發(fā)人員可以方便地將自己開發(fā)的驅(qū)動程序加入其中，與別的系統(tǒng)組件一起進行配置。

1 系統(tǒng)目標板簡介

硬件目標板是為無人機系統(tǒng)設計的系統(tǒng)開發(fā)板，它是從Arca系統(tǒng)測試板經(jīng)過功能簡化設計而來的滿足無人機系統(tǒng)要求的目標板。硬件目標板如圖1所示。

GT2000支持SRAM，F(xiàn)LASH，ROM，VLIO(靜態(tài)段支持可變等待時間I／O設備)和SDRAM(同步動態(tài)RAM)等外部擴展存儲器。GT2000的外部地址空間是按體(bank)劃分的，有四個體屬于靜態(tài)存儲器區(qū)域，由引腳CS0～CS3選擇，在將FLASH，SRAM，VLIO(用作其他外設接口)等靜態(tài)I／O設備地址分別設計在CS0～CS2區(qū)域內(nèi)，由GT2000內(nèi)部的外部內(nèi)存訪問接口(EMI)控制器中的靜態(tài)內(nèi)存訪問控制寄存器(SMCR)進行訪問控制，分配地址訪問接口。

系統(tǒng)目標板選用兩片Intel公司的TE28F320的FLASH(16位)并聯(lián)獲得32位總線寬度。Intel公司的TE28F320是32 Mb(2 M×16 b)多功能FLASH，2．7～3．6 V單電源供電，讀取時間為70 ns，封裝格式為48-Pin TSoP(12 mm×20 mm)或48-Ball TFB-GA，可被擦寫10 000次。方舟的JTAG仿真器支持TE28F320 FLASH，可以通過JTAG接口進行在線讀寫和擦除，這給調(diào)試程序和硬件提供了方便。

FLASH的電路原理圖以及GT2000的引腳“DACK[2．．1]／MD_MEM[1．．0]”設置如圖2所示。


2 eCos驅(qū)動程序的體系結構與驅(qū)動程序設計模式

eCos操作系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序通常包含以下內(nèi)容：提供一些底層函數(shù)，負責完成設備初始化與配置、注冊設備，從設備收發(fā)數(shù)據(jù)、控制設備、處理設備中斷等，并進行設備管理。eCos操作系統(tǒng)內(nèi)核支持設備驅(qū)動程序的同步、計時、內(nèi)存管理、緩沖區(qū)管理、設備名空間及資源管理等。

eCos系統(tǒng)的I／O包中包含了設備的驅(qū)動程序接口模塊，全部是以組件的形式存在。設備驅(qū)動程序模塊支持系統(tǒng)設計的分層結構。設備I／O包中的程序需要使用設備DEV包中的程序，而設備DEV包中的程序需要調(diào)用eCos的硬件抽象層包中的底層接口函數(shù)，如圖3所示。


2．1 設備驅(qū)動程序用戶API

eCos為應用程序提供了一組用戶API函數(shù)，這些操作包括對設備進行初始化和配置，獲取配置信息，對設備進行讀寫等。設備驅(qū)動程序必須使用設備句柄進行設備操作，通過cyg_io_lookup()函數(shù)把設備在系統(tǒng)中的惟一名字映射成設備句柄。

2．2 eCos驅(qū)動程序與內(nèi)核及HAL的接口

應用程序在使用設備的時候，通過驅(qū)動程序的用戶API函數(shù)訪問設備驅(qū)動程序，設備驅(qū)動程序又調(diào)用設備內(nèi)核API函數(shù)與內(nèi)核和硬件抽象層HAL進行交互，設備驅(qū)動程序和內(nèi)核又通過硬件抽象層HAL對硬件平臺進行操作。

eCos內(nèi)核向設備驅(qū)動程序提供調(diào)度、時鐘、同步、中斷等內(nèi)核服務的支持。在某些嵌入式應用中，部分內(nèi)核服務并不是必需的。在配置時不選擇Kernel包，設備驅(qū)動程序的內(nèi)核服務支持由硬件抽象層提供。

HAL包含所有與平臺相關的代碼，是eCos操作系統(tǒng)對硬件進行的抽象定義，它直接控制和訪問硬件，為eCos內(nèi)核和高層代碼提供服務。

I／O包和DEV包構成了eCos驅(qū)動程序的基本框架。設備驅(qū)動程序一般分為三個部分，分別為設備表入口DEVTAB_ENTRY、設備I／O函數(shù)表DEVIO_TAB和設備I／O函數(shù)。I／O包提供抽象的設備操作支持，應用程序訪問設備時使用邏輯設備名，每個設備都對應一個惟一的邏輯設備名。DEV包提供設備操作的底層實現(xiàn)，對硬件通過HAL直接操作。

eCos中的所有設備驅(qū)動程序都使用設備表入口進行描述。設備表入口使用宏DEVTAB_ENTRY()可以生成一個設備表入口數(shù)據(jù)結構。其中，_handlers指向DEVIO_TABLE入口函數(shù)。提供用戶應用程序的調(diào)用支持；_priv指向設備真正的硬件操作數(shù)據(jù)結構，提供硬件設備與上層軟件的交互。設備I／O入口宏定義如下：


2．3 設備驅(qū)動程序的設計模式

一般來說，eCos提供了三種驅(qū)動程序設計模式。設備驅(qū)動程序與內(nèi)核和HAL之間的API接口主要對中斷以及中斷處理程序的ISR，DSR和線程的同步進行控制和管理。eCos設備驅(qū)動程序的中斷模塊分為三個層次，分別是中斷服務程序ISR，中斷滯后服務程序DSR和中斷線程。中斷服務程序ISR在響應中斷時立即調(diào)用，中斷滯后服務程序DSR由ISR發(fā)出調(diào)用請求后執(zhí)行，中斷線程為驅(qū)動程序的客戶程序。具體為硬件抽象層HAL對硬件中斷源譯碼，并在最短的時間內(nèi)調(diào)用ISR中斷服務程序，ISR對硬件中斷可以立即處理，但限于與中斷線程交互較少的設備。大多數(shù)情況下，需要請求相應的中斷滯后服務程序DSR進入線程調(diào)度運行，DSR將在ISR執(zhí)行完成后立即運行。如果需要復雜的中斷服務則要用戶自己定義中斷線程。對于一個具有中斷的設備驅(qū)動程序，必須提供ISR和DSR。

3 基于方舟開發(fā)板的Inter FLASH驅(qū)動程序分析與移植

3．1 Inter公司的TE28F320的FLASH芯片驅(qū)動程序分柢

Inter FLASH驅(qū)動程序FLASH_28fxxx．inl文件定義了FLASH設備低層的管理設備I／O函數(shù)，F(xiàn)LASH_28fxxx_parts．inl文件定義了FLASH設備邏輯信息。eCos系統(tǒng)I／O包使用DEVTAB_ENTRY()和DEVIO_TABLE()定義的_priv指針對FLASH設備低層I／O函數(shù)進行調(diào)用。具體定義如下：


3．2 系統(tǒng)地址空間的分配方案。

當MMU內(nèi)存管理單元的控制寄存器MCR．ATE為0時，地址映射方式變?yōu)橹苯佑成湮锢矸绞?，如圖4所示。

直接映射方式的映射關系是：在使用高速緩存方式時將虛擬地址A1區(qū)域(0x80000000~0xA0000000)映射到實際物理地址0x00000000～0x20000000的區(qū)域；根據(jù)目標開發(fā)板的設計規(guī)范，系統(tǒng)的FLASH的物理地址從0x00000000開始，系統(tǒng)設計編寫程序時使用相應的虛擬地址空間為0x80000000～0x80FFFFFF。SRAM的物理地址從0x04000000開始，使用相應的虛擬地址空間為0x84000000~0x84200000。

3．3 修改eCos硬件抽象層中FLASH和SRAM的配置信息以及FLASH設備驅(qū)動程序

不同的兩塊開發(fā)板所采用的芯片，特別是FLASH芯片有可能是不一樣的。由于為無人機專門設計開發(fā)的目標板使用的是Inter公司的TE28F320的FLASH芯片，與Arca公司使用的FLASH驅(qū)動程序不一樣，必須修改FLASH驅(qū)動及FLASH和SRAM的配置信息。

(1)SRAM布局文件修改如下：


(3)FLASH驅(qū)動程序FLASH_28fxxx．inl文件中的數(shù)據(jù)定義修改如下：


(4)修改平臺抽象層文件plf_hci．h文件

由于目標開發(fā)板上沒有采用EEPROM和HCI(硬件配置接口)的方式存儲系統(tǒng)硬件信息，而是采用在eCos平臺抽象層中把開發(fā)板上的硬件信息靜態(tài)存儲在文件中。在平臺抽象層文件plf_hci．h中修改如下：


4 驅(qū)動測試

4．1 Redboot簡介

Redboot是一個標準的嵌入式系統(tǒng)引導和Debug環(huán)境，是基于eCos的一個應用程序，使用eCos的硬件抽象層作為它的基礎。內(nèi)含GDBstub，允許從應用程序調(diào)試的GDB宿主機鏈接目標平臺，通過串口或網(wǎng)口進行調(diào)試。既可以用在產(chǎn)品的開發(fā)階段(調(diào)試功能)，也可以用在最終的產(chǎn)品上。

4．2 系統(tǒng)測試結果

使用eCos圖形配置工具對修改好的eCos硬件抽象象層和FLASH設備驅(qū)動程序進行裁剪，并用串口進行系統(tǒng)測試，通過minicom顯示Redboot運行的FLASH和SRAM地址結果如圖5所示。


5 結語

本文通過裁剪和移植FLASH驅(qū)動程序到目標開發(fā)板上，展示上具體的修改硬件抽象層和設備驅(qū)動程序代碼方法。通過實際裁剪，配置一個具有實際應用價值的Redboot，對于嵌入式技術的學習和應用具有現(xiàn)實的意義。本文的難點在于eCos硬件抽象層和設備驅(qū)動程序源代碼的理解和修改。