原创 嵌入式实时操作系统ECOS在S3C2510上的移植实现

摘 要： 本文介绍了实时操作系统ECOS的特点及基本结构，并具体研究了ECOS在三星公司以ARM940T 为内核的S3C2510嵌入式芯片上的移植方法。文章着重讨论了移植过程中的重点与难点部分：ECOS的硬件抽象层(HAL)移植。该移植方案已经过实际测试，系统稳定可靠，可运行多任务式应用程序。关键词：实时操作系统;ECOS;硬件抽象层;移植;ARM 引言 ECOS(Embedded Configurable Operating System，嵌入式可配置操作系统)是一种针对16位、32位和64位处理器的可移植嵌入式实时操作系统。由于其源代码是公开的，因而有越来越多的设计人员开始关注ECOS操作系统。ECOS最大的特点是模块化，内核可配置。最小版本的ECOS只有几百字节，非常适合小型嵌入式系统的开发。相对于嵌入式 Linux来说，ECOS有配置灵活和节省资源的优势。它的另一个优点是使用多任务抢占机制，具有最小的中断延迟，支持嵌入式系统所需的所有同步原语，并拥有灵活的调度策略和中断处理机制，因而具有良好的实时性。与%26;#61549;Clinux和%26;#61549;COS等操作系统相比，ECOS更适合于处理实时信号的设备，如移动通信、WLAN等通信设备的开发。 S3C2510是一款低功耗、高效能、面向以太网系统的微处理器。它的系统时钟可达133MHz，并包含了16/32位宽的ARM940T核、4KB的I-CACHE和4KB的D-CACHE。S3C2510带有两个独立的10/100Mbps的以太网控制器，这两个接口能够以硬件完成IEEE802.3的MAC层处理，因此更适合用作SOHO路由器、internet网关，甚至宽带无线接入设备的开发。 ECOS操作系统也非常适合这些网络设备的开发，本文将介绍S3C2510的移植方案，给各种以ARM为内核处理器的ECOS底层移植开发提供一个系统的范例。

图 1 ECOS操作系统结构图 ECOS底层移植的基础知识 ECOS系统的主要组成部分如图1所示。操作系统的主要功能 及特点是由其内核所决定的，底层移植一般不会涉及到系统内核的内容。由图1可见,硬件抽象层是嵌入式操作系统和硬件直接接触的基本层，其将系统内核和具体的硬件平台彻底隔离开, 实现了系统内核与硬件的无关性，这就是操作系统具有良好可移植性的体现。因此，对于开发人员来说，移植操作系统真正的意义和工作在于移植操作系统的硬件抽象层。硬件抽象层HAL对处理器结构和系统硬件平台进行抽象，当要在一个新的目标平台上运行ECOS时，只需要对底层的硬件抽象层进行修改，便可迅速地将整个 ECOS系统移植到新的平台上。硬件抽象层主要包括三大模块——体系结构抽象层(Architecture HAL)、变体抽象层(Variant HAL)和平台抽象层(Platform HAL)。体系结构抽象层主要是指ECOS所支持的具有不同体系结构的处理器系列，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等等。变体抽象层指的是处理器系列中某款处理器在Cache、MMU和FPU等方面所具有的特殊性。如S3C2510属于ARM系列中的ARM940T，在变体抽象层中就会具体地针对ARM940T的Cache等方面作出定义。平台抽象层则是对当前系统硬件平台的抽象，包括了平台的启动、芯片选择与配置、定时设备、I/O寄存器访问以及中断寄存器等等。平台抽象层代码的编写是ECOS移植工作的重点。 HAL移植的主要步骤建立适当的文件目录 ECOS本身有一个完整的文件目录，只有把新建的底层文件放在适当的文件目录下面，才能确保配置和编译工作的成功，也有助于利用ECOS本身已有的源代码，如结构体系层和变体层中的许多成熟可用的代码。由于本系统中S3C2510处理器的内核是ARM940T，因而可以把S3C2510的目录建立在ECOS库路径packages/hal/arm/arm9/下。建立S3C2510的cdl文件 cdl文件使用cdl脚本语言描述该硬件设备(包或平台)的特性和常用指标。cdl文件实现系统在源码级的功能和指标配置，犹如一个项目管理高层对其仓库中组件特性的登记，只有登记后的包、组件和选项才能被操作系统配置工具识别和配置。以下是S3C2510的cdl文件中的几段重要描述。 * cdl_package CYGPKG_ HAL_ARM_ ARM9_S3C2510 这是S3C2510在ecos.db中所登记的包的名字，它下面包含了该板的一些基本设置和组件，如母体体系结构(parent)、包含的头文件、编译的 C文件等。 * cdl_component CYG_HAL _STARTUP 系统启动方式，有3种选择：ram启动、rom启动、romram启动。 * cdl_component CYGNUM_ HAL_CPUCLOCK 平台的系统时钟设置，以便于ECOS其他组件以此时钟为标准。该平台系统时钟的默认值设为133MHz。 * cdl_option CYGNUM_HAL_ RTC_PERIOD ECOS内核的运行时钟单位。ECOS内核以一个tick为时钟单位，而一个tick的长度就等于该选项的设定值。在ecos.db中登记 S3C2510的硬件包 ecos.db是关于ECOS系统的一个数据库文件(在packages目录下)，它包含了硬件包管理工具和一些在组件配置库中的包。与cdl文件相比，ecos.db登记了仓库中的物品，而cdl文件则登记每种物品的特性。只有在ecos.db中登记了的包，才能被ECOS的库编译工具 (configtool)选中和使用。如果要在配置工具的模板选项中(template)增加可供选择的硬件目标板，那么，需要先在ecos.db中登记其包描述，再增加其目标板描述。一般的辅助硬件(如网卡、串口等)只需要第一步的登记。因此，在ecos.db中登记S3C2510平台硬件包的基本步骤就是登记硬件平台的包描述(package CYGPKG_HAL_ARM_ ARM9_ S3C2510)和目标描述(target S3C2510)。需要注意的是，target S3C2510中所包含的3个硬件描述包CYGPKG_HAL_ARM、CYGPKG_HAL_ARM_ARM9和CYGPKG_HAL_ARM_ARM9_ S3C2510是不能缺少的，因为它们是标板的核心——主体系结构包、子体系结构包和主芯片包。另外，还可以可选地添加其他辅助硬件包(如网卡、串口等)。编写平台抽象层的有关代码硬件平台层所需编写的代码文件的一般功能如下所示。 * include /plf_cache.h —— 平台专用cache处理 (可选)。在本系统中不需要编写，可直接调用ARM9变体层的hal_cache.h。 * include / hal_platform_ints.h —— 平台专用中断处理，定义平台中断向量号。 * include / plf_io.h —— I/O 定义和系统寄存器的宏定义。 * include %26;not;/ hal_platform_setup.h —— 平台启动代码。本文件主要用ARM汇编指令编写，实现平台上电后程序的启动和执行。 * src/s3c2510_misc.c —— HAL的底层标准函数，包括时钟平台初始化、时钟延时函数、中断使能、中断屏蔽、中断响应等。 * src/ hal_diag.c —— 硬件抽象层诊断输出函数，包含ECOS系统中printf打印的硬件设备驱动程序。 * misc/ redboot_primary_ ram.ecm —— 基于RAM启动方式的redboot最小配置文件。 * misc/redboot_primary_ rom.ecm —— 基于ROM启动方式的redboot最小配置文件。硬件启动过程编写硬件启动的初始化过程是HAL移植的一个难点。当硬件重新上电后，系统的程序指针会自动指向地址0(通常地址0存放着bootloader代码段)。在ECOS操作系统中，程序首先会运行vectors.S文件(该文件存在于hal/arm/arch/src/目录下)，它定义了 reset_vector、start等各种启动标号。接着调用S3C2510平台层的hal_platform_ setup.h文件中的宏platform_setup1和arm9变体层arm9_misc.c文件中的函数 hal_hardware_init。 hal_platform_setup.h定义了宏platform_setup1以供vectors.S调用。该宏定义了目标板上SDRAM和 FLASH的初始化启动，其中包括了它们的取数方式和内存大小。然后根据不同的启动方式执行程序。对于RAM启动方式，无需进行程序段与数据段的搬移，系统已认为SDRAM的起始地址即为程序的起始地址;对于ROM启动方式，需要搬移数据段，而程序段无需搬移;对于ROMRAM启动方式，程序段与数据段都需要进行搬移，然后再把程序起始地址映射为SDRAM的起始地址。在程序搬移完成后，系统会进行其他硬件的初始化过程，包括系统时钟、系统CACHE、监控串口等基本硬件设备。内存布局文件编写平台的内存布局文件在include/pkgconf目录下。通常，每个平台包括了RAM、ROM和ROMRAM 3种不同启动方式的内存布局文件集。每种启动方式的内存布局文件集都由3个类型的描述文件组成：.h文件包含内存域的C宏定义;.ldi文件定义内存域和内存段位置的链接脚本文件;.mlt文件包括由MLT工具产生的对内存布局的描述。当需要手动修改内存布局时，只有.h和.ldi文件可以被修改，.mlt文件只能由MLT工具生成。下面以S3C2510的ram启动方式内存布局为例，主要说明mlt_arm_s3c2510_ram.h和 mlt_arm_s3c2510_ram.ldi的程序结构。由于S3C2510的开发板有两个16MB的SDRAM，因而要定义两个内存域ram1和ram2。系统设置寄存器在初始化时已经把内存段重新映射，因而两个SDRAM的基地址就是 0x0和0x40000000，两个内存域的大小是16MB，分配方式都是可读写的内存段。在mlt_arm_s3c2510_ram.ldi中分为两大部分。首先是MEMORY部分，它定义了在RAM启动方式下所需要的内存域，以及该内存域的起始地址和长度。MEMORY部分的内容必须与mlt_arm_s3c2510_ ram.h中定义的宏一致。其次是SECTIONS部分，它定义了RAM启动方式下所规定的内存段，这些内存段的定义与系统内存管理功能有关。在SECTION_XXX后带有相应的参数，这些参数包括了内存段所属的内存域、起始地址(或者是对齐方式)、虚拟内存地址(VMA)和加载内存地址(LMA)。以SECTION_fixed_vectors (ram1, 0x200, LMA_EQ_VMA)为例，它表示fixed_vectors段属于ram1内存域，起始地址为0x200，加载内存地址等于虚拟内存地址。 LMA_EQ_VMA同时也可以解释为该内存段不需要在程序运行后重新分配加载。 调试结果 S3C2510目标板上带有1块4MB的FLASH和2块16MB的SDRAM。 利用ECOS的自带编译工具configtool对新建的S3C2510目标板进行编译，生成ECOS的库文件。然后把库目录下的install目录内容复制到应用工程目录下，使ECOS库包含到应用工程中。然后把该工程的.elf文件利用EMBEST公司开发的IDE仿真器直接下载到目标板的SDRAM中。此时的ECOS操作系统应为RAM启动方式。通过IDE对程序的调试与测试结果表明，本文提出的S3C2510移植方案使ECOS操作系统在目标板中运行正常稳定。该操作系统支持多个工作线程的应用程序。S3C2510的串口、网口均能与pc机正常传输数据。 结语 ECOS是一款非常年轻的嵌入式操作系统，1997年才正式推广使用。现阶段有关ECOS开发的参考资料和专门从事人员仍然很少，造成了ECOS产品研发周期和开发成本的增加。因此，本文提出的ECOS操作系统的驱动底层代码编写方法对于使用ECOS开发产品具有相当重要的指导意义。