基于eCos的FLASH驅(qū)動(dòng)的分析與移植

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)需要支持的外部設(shè)備種類繁多，如何構(gòu)造運(yùn)行良好的嵌入式設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有重要意義。eCos是一種源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌人式操作系統(tǒng)，對(duì)嵌入式應(yīng)用具有良好的支持，內(nèi)核專門設(shè)計(jì)了便于設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序加入其中，與別的系統(tǒng)組件一起進(jìn)行配置。

1 系統(tǒng)目標(biāo)板簡(jiǎn)介

硬件目標(biāo)板是為無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開發(fā)板，它是從Arca系統(tǒng)測(cè)試板經(jīng)過功能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)而來的滿足無人機(jī)系統(tǒng)要求的目標(biāo)板。硬件目標(biāo)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(shí)間I／O設(shè)備)和SDRAM(同步動(dòng)態(tài)RAM)等外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。GT2000的外部地址空間是按體(bank)劃分的，有四個(gè)體屬于靜態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)域，由引腳CS0～CS3選擇，在將FLASH，SRAM，VLIO(用作其他外設(shè)接口)等靜態(tài)I／O設(shè)備地址分別設(shè)計(jì)在CS0～CS2區(qū)域內(nèi)，由GT2000內(nèi)部的外部?jī)?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(jìn)行訪問控制，分配地址訪問接口。

系統(tǒng)目標(biāo)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(shí)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(jìn)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(shè)置如圖2所示。


2 eCos驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模式

eCos操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常包含以下內(nèi)容：提供一些底層函數(shù)，負(fù)責(zé)完成設(shè)備初始化與配置、注冊(cè)設(shè)備，從設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)、控制設(shè)備、處理設(shè)備中斷等，并進(jìn)行設(shè)備管理。eCos操作系統(tǒng)內(nèi)核支持設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的同步、計(jì)時(shí)、內(nèi)存管理、緩沖區(qū)管理、設(shè)備名空間及資源管理等。

eCos系統(tǒng)的I／O包中包含了設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序接口模塊，全部是以組件的形式存在。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分層結(jié)構(gòu)。設(shè)備I／O包中的程序需要使用設(shè)備DEV包中的程序，而設(shè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用戶API

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

2．2 eCos驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核及HAL的接口

應(yīng)用程序在使用設(shè)備的時(shí)候，通過驅(qū)動(dòng)程序的用戶API函數(shù)訪問設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序又調(diào)用設(shè)備內(nèi)核API函數(shù)與內(nèi)核和硬件抽象層HAL進(jìn)行交互，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核又通過硬件抽象層HAL對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行操作。

eCos內(nèi)核向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供調(diào)度、時(shí)鐘、同步、中斷等內(nèi)核服務(wù)的支持。在某些嵌入式應(yīng)用中，部分內(nèi)核服務(wù)并不是必需的。在配置時(shí)不選擇Kernel包，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)核服務(wù)支持由硬件抽象層提供。

HAL包含所有與平臺(tái)相關(guān)的代碼，是eCos操作系統(tǒng)對(duì)硬件進(jìn)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(wù)。

I／O包和DEV包構(gòu)成了eCos驅(qū)動(dòng)程序的基本框架。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般分為三個(gè)部分，分別為設(shè)備表入口DEVTAB_ENTRY、設(shè)備I／O函數(shù)表DEVIO_TAB和設(shè)備I／O函數(shù)。I／O包提供抽象的設(shè)備操作支持，應(yīng)用程序訪問設(shè)備時(shí)使用邏輯設(shè)備名，每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)惟一的邏輯設(shè)備名。DEV包提供設(shè)備操作的底層實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件通過HAL直接操作。

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


2．3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)模式

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

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

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

Inter FLASH驅(qū)動(dòng)程序FLASH_28fxxx．inl文件定義了FLASH設(shè)備低層的管理設(shè)備I／O函數(shù)，F(xiàn)LASH_28fxxx_parts．inl文件定義了FLASH設(shè)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(duì)FLASH設(shè)備低層I／O函數(shù)進(jìn)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(dāng)MMU內(nèi)存管理單元的控制寄存器MCR．ATE為0時(shí)，地址映射方式變?yōu)橹苯佑成湮锢矸绞剑鐖D4所示。

直接映射方式的映射關(guān)系是：在使用高速緩存方式時(shí)將虛擬地址A1區(qū)域(0x80000000~0xA0000000)映射到實(shí)際物理地址0x00000000～0x20000000的區(qū)域；根據(jù)目標(biāo)開發(fā)板的設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)的FLASH的物理地址從0x00000000開始，系統(tǒng)設(shè)計(jì)編寫程序時(shí)使用相應(yīng)的虛擬地址空間為0x80000000～0x80FFFFFF。SRAM的物理地址從0x04000000開始，使用相應(yīng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)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(jī)專門設(shè)計(jì)開發(fā)的目標(biāo)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(dòng)程序不一樣，必須修改FLASH驅(qū)動(dòng)及FLASH和SRAM的配置信息。

(1)SRAM布局文件修改如下：


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


(4)修改平臺(tái)抽象層文件plf_hci．h文件

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


4 驅(qū)動(dòng)測(cè)試

4．1 Redboot簡(jiǎn)介

Redboot是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)和Debug環(huán)境，是基于eCos的一個(gè)應(yīng)用程序，使用eCos的硬件抽象層作為它的基礎(chǔ)。內(nèi)含GDBstub，允許從應(yīng)用程序調(diào)試的GDB宿主機(jī)鏈接目標(biāo)平臺(tái)，通過串口或網(wǎng)口進(jìn)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(cè)試結(jié)果

使用eCos圖形配置工具對(duì)修改好的eCos硬件抽象象層和FLASH設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行裁剪，并用串口進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，通過minicom顯示Redboot運(yùn)行的FLASH和SRAM地址結(jié)果如圖5所示。


5 結(jié)語(yǔ)

本文通過裁剪和移植FLASH驅(qū)動(dòng)程序到目標(biāo)開發(fā)板上，展示上具體的修改硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序代碼方法。通過實(shí)際裁剪，配置一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的Redboot，對(duì)于嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)的意義。本文的難點(diǎn)在于eCos硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序源代碼的理解和修改。