基于ARM920T內(nèi)核的RISC嵌入式CPU解析方案

1 引言

在當(dāng)今后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，嵌入式產(chǎn)品充斥著許多領(lǐng)域，日常生活的手機(jī)，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(jià)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(chǎng)需求。板級(jí)支持包 (Board Support Package，BSP)是操作系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，提供對(duì)硬件的支持。BSP的開發(fā)在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間上占了很大比例，快速的移植滿足產(chǎn)品需求的BSP 在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)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(bào)道，文獻(xiàn)[1]研究基于s3c2410的GPS通信技術(shù)及實(shí)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(jí)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(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，具有高可靠性，是一種硬實(shí)時(shí)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(yùn)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(dòng)程序，配置文件等。

BootLoader是加電即運(yùn)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(dòng)鏡像nk.bin，也就是兩種工作模式：?jiǎn)?dòng)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(jī)的RAM中，然后被固化到Flash。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序按照導(dǎo)出的接口不同可分為：本機(jī)驅(qū)動(dòng)程序以及流接口驅(qū)動(dòng)程序.本機(jī)驅(qū)動(dòng)程序有GEWS.exe加載的鼠標(biāo)，鍵盤，觸摸屏，顯示驅(qū)動(dòng)等。而流接口驅(qū)動(dòng)程序使用一組流函數(shù)來(lái)實(shí)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(kù)連接來(lái)產(chǎn)生內(nèi)核可執(zhí)行文件。OAL簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)與目標(biāo)代碼之間的通信，OAL代碼用來(lái)處理中斷，記時(shí)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(duì)應(yīng)的BSP，就是修改Windows CE自帶的BSP或者修改硬件平臺(tái)以前版本的BSP的幾個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間。通常的做法是：（1）將自己硬件平臺(tái)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(tái)最接近的作為模板，然后再?gòu)淖约旱挠布脚_(tái)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(tái)采用的是深圳英蓓特公司的EdukitIII實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)完成。

（3）初始化平臺(tái)：調(diào)用函數(shù)OEMPlatformInit()，主要對(duì)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(shí)鐘、存儲(chǔ)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(dòng)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(kù)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(gè)庫(kù)只存在于Windows CE 4.2的$(_PUBLICOAKROOT)，是ARM體系結(jié)構(gòu)鏈接庫(kù)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(kù)文件，因此，修改這個(gè)庫(kù)的鏈接路徑，使得Platform builder這個(gè)編譯系統(tǒng)能夠找到這個(gè)鏈接庫(kù)。

（2）修改makefile.inc，因?yàn)樵撐募付ㄉ蒭boot.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(wú)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?yàn)閑boot燒寫NK.BIN(OS鏡像)的時(shí)候會(huì)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(huì)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(gè)分區(qū)，而BINFS分區(qū)的大小是以NK.BIN展開的大小按block對(duì)齊，所以會(huì)出現(xiàn)個(gè)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(duì)齊的時(shí)候，將會(huì)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(lái)解決這個(gè)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(gè)固定的大小可以參考生成 NK.BIN的config.bib中定義的ROMSIZE，這樣無(wú)論NK怎么修改，BINFS一經(jīng)創(chuàng)建無(wú)需更改，eboot把NK寫進(jìn)NAND FLASH之后，會(huì)把剩余的FREE空間創(chuàng)建一個(gè)FAT分區(qū)，如果我們要實(shí)現(xiàn)HIVE REGISTRY就可以把這個(gè)分區(qū)mounts成MountAsBootable。

3.2 OAL移植

OAL的移植過程中，OEM主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)函數(shù)：Startup.s，調(diào)試串口函數(shù)，OEMInit函數(shù)，系統(tǒng)時(shí)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(dòng)時(shí)第一個(gè)要調(diào)用的函數(shù)，也是OEM要實(shí)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(gè)任務(wù)就是初始化串調(diào)試口，否則，就無(wú)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(shí)現(xiàn)OEMInit()，該函數(shù)將調(diào)用以下函數(shù)：OALCacheGlobalsInit()，OALIntrInit()，OALTimerInit()，OALKitlStart()來(lái)初始化Cache Global,中斷，時(shí)鐘，啟動(dòng)KITL，實(shí)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(shí)鐘

OALKitlStart();// 初始化KITL

}

（4）實(shí)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(gè)System tick,為系統(tǒng)計(jì)數(shù)，觸發(fā)進(jìn)程調(diào)度。由CPU的運(yùn)行主頻和硬件定時(shí)器資源來(lái)確定，執(zhí)行過程有：初始化時(shí)鐘狀態(tài)全局變量，初始化高分辨率時(shí)鐘函數(shù)指針，使能TIMER。

（5）實(shí)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?yàn)閃INCE為了模塊化，把平臺(tái)相關(guān)物理中斷號(hào)和系統(tǒng)中斷號(hào)建立映射。然后清除外部中斷，內(nèi)部中斷等。

3.3 驅(qū)動(dòng)移植

以觸摸屏為例，來(lái)探討Windows CE 5.0系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(gè)觸摸屏由橫向電阻線和縱向電阻線組成。觸摸屏驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(kù)文件：

TARGETLIBS=$(_COMMONSDKROOT)lib$(_CPUINDPATH)coredll.lib

SOURCELIBS=

$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH) ch_cal.lib

$(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH) chmdd.lib

因?yàn)檫@個(gè)驅(qū)動(dòng)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(kù)，但Platform，Public編譯路徑，先決條件都不同。因此引用的庫(kù)不一樣。

（2）刪除如下庫(kù)文件：

$(_TARGETPLATROOT)lib$(_CPUINDPATH)drvlib.lib

該庫(kù)在Windows CE 4.2系統(tǒng)下為觸摸屏與音頻共用庫(kù)，但在Windows CE5.0系統(tǒng)下，這個(gè)庫(kù)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(huì)出編譯錯(cuò)誤。

（3）修改platform.bib,將我們移植過來(lái)的驅(qū)動(dòng)dll包含到nk.bin中

（4）修改platform.reg,其中CalibrationData是觸摸屏的一個(gè)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(dòng)的過程與觸摸屏類似。

3.4 移植小結(jié)

此次移植是升級(jí)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(gè)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(lái)了目錄的變化，通過修改dir來(lái)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(shí)候引用的庫(kù)sourcelib,targetlib不一樣，移植的時(shí)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(shí)候所需要的頭文件目錄。有個(gè)比較特殊的sources是位于Platform(例如smdk2410)下的sources.cmn，它包含了該平臺(tái)的通用庫(kù)，頭文件路徑，這個(gè)文件在移植過程中需要修改的，否則，編譯出錯(cuò)。

（3）修改platform.bib，platform.reg等文件，因?yàn)檫@兩個(gè)文件決定了鏡像中包含哪些模塊(dll)以及注冊(cè)表相關(guān)信息，驅(qū)動(dòng)移植的過程中，每個(gè)模塊的改動(dòng)都需要修改這兩個(gè)配置文件。

（4）驅(qū)動(dòng)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(shí)候出現(xiàn)的錯(cuò)誤來(lái)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?yàn)閎ootloader下載，燒寫，啟動(dòng)鏡像過程會(huì)涉及到內(nèi)存地址的問題，各種入口地址不能出錯(cuò)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(gè)表，這個(gè)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(yàn)錯(cuò)誤，下載失敗或者鏡像無(wú)法啟動(dòng)等錯(cuò)誤。

OAL部分：startup.s以及OEMInitDebugSerial兩函數(shù)需要特別注意，這兩個(gè)主要是初始化硬件及串口，這是系統(tǒng)運(yùn)行及驅(qū)動(dòng)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(tái)沒有變化，因此OAL部分很多代碼無(wú)須修改即可使用。

驅(qū)動(dòng)部分：Windows CE4.2與Windows CE5.0的結(jié)構(gòu)，庫(kù)有了很大的改變，因此需要修改引用庫(kù)路徑，以及頭文件的引用路徑，大部分驅(qū)動(dòng)都將會(huì)遇到這樣的問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新點(diǎn)：通過對(duì)BSP結(jié)構(gòu)分析，將具體平臺(tái)的Windows CE 4.2 BSP移植到Windows CE 5.0版本，包括移植bootloader,OAL,驅(qū)動(dòng)程序，使之能夠通過編譯并生成鏡像，已經(jīng)能在平臺(tái)上成功運(yùn)行。通過這次移植，使筆者體會(huì)到BSP 移植是一個(gè)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(kù)無(wú)法找到或者是這些庫(kù)已經(jīng)被替換，刪除，只有耐心的根據(jù)這些錯(cuò)誤提示來(lái)定位，有時(shí)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(shí)間，從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)。