（通信与信息系统专业论文）基于coldfire系列mcu开发平台的嵌入式操作系统ecos的移植及应用.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪，在全球新一轮汽车、通信、信息电器、医疗、军事等行业的巨大 智能化装备市场需求下，嵌入系统科技和产业都得到了快速发展，可以说嵌入式 系统已经广泛地应用于人类生活的方方面面。在我国，嵌入式系统发展迅速，相 继推出一批具有自主知识产权的专用芯片和嵌入式操作系统。发展嵌入式科技， 是缩小与发达国家信息技术差距的一次重要机会。 嵌入式可配置操作系统e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) t 1 】是一 款开源的免费嵌入式实时操作系统，一遵循g p l 协议，具有系统稳定、功能完善、 支持网络、高度可配置、可扩展、可移植等特点。采用c c o s 开发嵌入式产品是 当前嵌入式领域中一个应用研究热点。本论文深入分析了e c o s 的组织结构、内 核原语、应用开发流程以及其移植。 f r e e , s c a l e 公司c o l d , f i r e 系列m c u 是3 2 位嵌入式微控制器。它采用可变长 精简指令集；内核最高时钟频率几十到百兆赫兹不等；内核增设乘加m a c 单元， 具有d s p 能力；片上集成外设资源丰富。本论文详细阐述了这一系列m c u 的架 构、工作模式以及其异常处理流程，并介绍属于该系列的微控制器m c f 5 2 0 8 和 开发平台m c f 5 2 0 8 e v b 。 本论文着重研究c o o s 在f r e e s c a l e 公司c o l d f i r e 系列m c - i j 上的移植和应甩。 本文提出在c o l d f i r e 系列m c u 上移植f , c o s 韵策略，列出移植的一般步骤，指 出可能遇到的问题和相应的解决办法，对e c o s 在c o l d f h e 系列m c u 开发平台 上移植具有指导意义。本论文实现了基于c o l d f i r e 系列m c um c f 5 2 0 8 开发平 台的e c o s 移植，完成这个开发平台上q s p i 总线的驱动，并对移植结果和驱动 程序进行测试。 作为应用，本论文分析了低速率无线个域网w a n 的规范i e e e8 0 2 1 5 4 ， 并在移植了e c o s 的开发平台m c f 5 2 0 8 e v b 上实现协议的物理层，对实现i e e e 8 0 2 1 5 4 协议以及z i g b e e 协议起到基础性研究作用。 关键字嵌入式操作系统，e c o s ，c o l d f i r em c u ，移植，w p a n a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e rt h er e q u i r e m e n to fi n t e u i 2 e n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，t h ec o m m u n i c a t i o n s ，a n ds o o n ，b o t ht h es c i e n c ea n dt e c h e n o l o g yo ft h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o pv e r yl a s t l y i n o u rc o u n t r v p e o p l ea r es t u d i n gt h ek e yt e c h e n o l o g i e sb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n dh a v ed e s i g n e dan u m b e ro fa s i c sa n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s f o ro n rc o u n t r y , i t sag o o do p p o r t u l i t yt oc a t c hu pw i t ht h e a d v a n c e dc o u n t r i e si nt h ef i e l do fe m b e d d e ds y s t e m e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) i sa no p e ns o u c o ，c o n f i g u r a b l e ， p o r t a b l e ，a n dr o y a l t y - f r e ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i th a sf u l l f e a t u r e d ， f l e x i b l e ，c o n f i g u r a b l e ，r e a lt i m ee m b e d d e dk e r n e l ，t o g e t h e rw i t hf u l l f e a t u r e dt c p f i p p r o t o c o ls t a c k t h e s ea d v a n t a g e sl e a dt oam o r ea n dm o r ew i d e l yu s a g e t h i st h e s i s d e s c r i b e st h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e na n a l y s e si t sk e r n e la n dp o r t i n gp r o c e s s c o l d h r ei ss e r i a lo fm c u s ，w i t hh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m e , l o wc o s t t h e s em c u sa r eu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha sa u t o m a t i c , c o n s u n l ee l e c t r o n i c , a n d o n i n t r o d u c t i o no f c o l d f i r ea r c h i t e c t u r ea n di t sw o r km o d ei sp r e s e n ti nt h i st h e s i s k n o w l e d g eo fp o r t i n ge c o st ot h e s ep l a t f o r m sw i t hc o l d f i r em c u i st h em a i nr e s u l t s t h i st h e s i sp r o p o s e sg e n e r a ls t e p st op o r t i n ge c o so n t op l a t f o r m sw i t hc o l d f k em c u ， a n ds o l u t i o n sf o rp r o b l e m si np o r t i n g a sa ne x a m p l e ，e c o sl m v eb e e np o r t e dt o m c f 5 2 0 8 e v b , ac o n v e n i e n tp l a t f o r mf o re v a l u a t i n gm a n yo ft h ec a p a b i l i t i e so ft h e m c f 5 2 0 8m c u , f o l l o w o dw i t hm e a s u r e m e n to ft h i sp o a i n g a s 眦a p p l i c a t i o no ft h ep o r t i n g , t h ep h y s i c a ll a y e ro fi e e e8 0 2 1 5 4w a s r e a l i z e do n t h i sp l a t f o r mm c f 5 2 0 8 e v b ，a l s ow i t ht h ee v a l u a t i o n t h i st h e s i sc a ng u i d et h ep o r t i n go fe c o so nt op l a t f o r m sw i t hc o l d f k em c u s ，a n d a l s oi st h eb a s i so fr e a l i z a t i o no fi e e e8 0 2 1 5 4o rz i g b e eo nt h e s ep l a t f o r m sf o rt h e u _ r t h c rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e c o s ，c o l d f i r em c u ，p o r t i n g , w p a n i i 图表目录 图表目录 图2 1e c o s 组件仓库路径结构。6 图2 2e c o s 组件定义结构7 图2 - 3e c o s 一个示例配置的组件层次结构。7 图2 4e c o s 异常处理流程【1 3 】。8 图2 5e c o s 中断处理执行流程【”i 1 0 图3 1c o l d f i r e 系统m c u 框图 1 6 k 1 7 图3 2c o l d f i r e 处理器核框图【1 6 】1 8 图3 - 3c o l d f i r em c u 状态寄存器s r 。1 9 图3 4c o l d f i r em c u 异常处理流程【1 6 1 2 0 图3 5 异常堆栈帧格式2 1 图3 6 针对m c f 5 2 0 8 的评估板m c f 5 2 0 8 e v b 2 2 图3 7c o l d f i r em c um c f 5 2 0 8 框图【堋。2 3 图3 8d m a 计时器框图2 4 图3 9s p i 模块框图。2 4 图3 - 1 0m c f 5 2 0 8 的q s p i 模块框图2 5 图3 1 1 板载z i g b e e 收发器2 6 图3 1 2 板载监视器d b u g 界面2 7 图3 1 3 集成开发环境c o d e w a r r i o r 界面。2 8 图3 1 4f l a s h 烧写工具c ff l a s h e r 界面2 8 图4 1r a m 版r e d b o o t 启动界面3 0 图4 2r o m 版r e d b o o t 启动界面3 1 图4 3 具有e c o s 内核的应用程序h e l l o 启动界面3 3 图4 4 运行e c o s 双线程示例程序。3 3 图4 5e c o s 内核时间性能测试结果3 7 图4 - 6e c o s 配置内核时钟测量功能3 8 图4 7 中断延时测试结果3 8 图4 - 8q s p i 驱动测试平台4 2 图4 9q s p i 驱动测试示波器显示4 3 图4 1 0q s p i 驱动测试超级终端显示“ 图5 1 星形的点对点拓扑结构样例4 6 图5 2i e e e 8 0 2 1 5 4 协议结构4 7 v 图表目录 图5 3 没有g t s 的超帧结构4 7 图5 4 具有g t s 的超帧结构4 8 图5 5 在允许使用b e a c o n 帧的网络中设备发送数据的流程4 8 图5 6 允许b e a c o n 帧的网络中协调器发数据给设备的流程4 9 图5 7m c l 3 1 9 2 系统级框图5 0 图5 8m c l 3 1 9 2 物理层帧结构5 0 图5 9m c l 3 1 9 2 状态转换图5 1 图5 1 0m c l 3 1 9 2 的a 控制器o x 0 6 5 2 图5 1 1 针对m c f 5 2 1 3 的评估板m c f 5 2 1 3 e v b 5 5 图5 1 2m c l 3 1 9 2 发送测试结果5 6 图5 1 3c c a 测试结果5 7 表2 1 组件仓库路径结构描述6 表2 2h a l 的三层结构1 5 表2 3 状态寄存器s r 字段描述。2 0 表3 im c f 5 2 0 8 e v b 模块及功能描述2 2 表3 2 中断控制器中的主要控制器地址及长度2 3 表3 3m 5 2 0 8 e v b 存储器映射2 6 表4 - 1h a l m 6 8 k m c f 5 2 x r d m c f 5 2 0 8 m c f 5 2 0 8 e v b p l f c u r r e n t 文件及说明3 4 表4 2h a l m 6 8 k m e f 5 2 x x m c f 5 2 0 8 p r o c c u r r e n t 文件及说明。3 4 表5 1a 控制器的描述5 3 表5 2 物理层服务原语5 4 缩略词表 英文缩写 c a p c c a c f p d m a d s r f f d g t s h a i i s r m c u q s p i r f d w 础 缩略词表 英文全称 c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d c l e a rc h a n n e la c c e s s m e l i t c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d d i r e ，c tm e m o r ya c c e s s d e f e r r e ds e r v i c er o u t i n e f u uf u o c t i o nd e v i c e g r a r a n t e e dt i m es l o t h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e m i c r o c o n t r o l l e ru n i t q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e w i r e l e s sp e 碍o n a la r e an e t w o r k i 中文释意 竞争访问周期 清洁信道访问 免竞争周期 直接内存访问 延迟服务例程 完备功能设备 保证时隙 硬件抽象层 中断服务例程 微控制器 带队列串行设备接口 简化功能设备 无线个域网 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：奚童鳘日期：砷年f 月协日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 豹全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：邋导师签名：竖 日期：枷7 r 年朗五2 日 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并 且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指 标的严格要求的专用计算机系统f 1 】 嵌入式系统广泛应用于计算机、消费电子、通信、汽车、工业控制、政府行 业等领域。中国计算机学会微机( 嵌入式系统) 专业委员会主办的2 0 0 6 中国嵌 入式技术论坛上有数据显示，嵌入式技术在中国有巨大的发展潜力和市场需求。 到2 0 0 8 年，嵌入式产品将达到8 0 亿美元的市场规模【2 】o 嵌入式系统的硬件一般由嵌入式处理器和嵌入式外设组成。嵌入式处理器种 类繁多，功能各异，大致可以分为嵌入式处理器、微控制器m c u 、数字信号处 理器d s p 以及片上系统s o c 等几类。不同类型的嵌入式处理器也在技术上相互 融合，例如在d s p 上面添办r l # l - 部设备控制器，或者在m c u 上增加乘加算术运算 单元。 嵌入式外设包括外置的f l a s h 等。对于微控制器，许多控制器被集成到芯片 当中，一般称之为片上外设。 嵌入式系统的软件的发展经历了从没有操作系统，到具有简单监控式操作系 统，再到具有操作系统的过程【3 】。早期的嵌入式系统没有操作系统，它们的软件 直接操作硬件，完成任务。它们的特点是系统结构和功能相对单一，针对性强， 没有用户接口。 简单监控式操作系统阶段。这一阶段的操作系统针对特定处理器。通用性差； 操作系统的用户界面不够友好，主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 嵌入式操作系统阶段。操作系统提供程序开发、程序运行、访问i o 设备和 控制访问文件等服务1 4 1 。根据嵌入式系统对成本敏感和实时性强的特点，人们开 发出许多通用型嵌入式实时操作系统。这些通用型嵌入式实时操作系统的特点 是：可移植性强，多任务并发执行，文件系统和网络支持，具有丰富的a p i 等等。 u c o s i i 、e c o s 、v x w o r k s 和w i n d o w sc e 等都是优秀的通用型嵌入式实时操作 系统。 1 2 嵌入式操作系统移植 嵌入式系统具有很强的专业性，它们的硬件都是围绕应用专门设计的。一方 面，为了控制系统的成本，处理器和其它外围设备都尽量选择便宜的产品，够用 电子科技大学硕一l 学位论文 即可；另一方面，针对特定的应用的需要，人们还要设计专门的应用模块。由于 这些原因，嵌入式系统的硬件平台种类繁多，为每个需要操作系统支持的嵌入式 应用都编写一个专门的操作系统是不明智的，也是不可行的。为每个需要操作系 统支持的嵌入式应用都编写一个专门的操作系统，不但加大系统开发的成本和风 险，系统的稳定性也难以保证【5 l o 通用的嵌入式操作系统是一种很好的解决方案。通用的嵌入式操作系统的内 核使用与硬件处理器无关的编程语言编写。与硬件相关的代码使用宏，对于不同 的硬件平台单独定义。针对特定处理器的交叉编译工具，可以把内核编译成针对 特定处理器的二进制代码，从而把内核添加到特定的应用当中去。 由于运行的硬件平台多种多样，嵌入式操作系统的可移植性就特别重要。一 般来讲，嵌入式操作系统的内核都跟具体的硬件无关，系统专门有和硬件相关的 代码。只需要根据新硬件平台的特点修改这一部份跟硬件相关的代码，内核就可 以在运行在这个新的硬件平台之上。这个修改跟硬件相关代码，使得内核能够运 行在新的硬件平台上的过程就称为移植。 嵌入式操作系统具有各自特点，例如操作系统本身所占用的存储器空间、响 应中断最大时延、提供网络接入能力以及文件系统支持等等。同时，不同的嵌入 式操作系统开发过程中采取的策略不完全一致。这些原因使得不同的嵌入式操作 系统跟硬件相关的代码组织方式不一样。移植工作就变得既和硬件有关，也和要 移植的嵌入式操作系统有关。也就是说，要移植一个嵌入式操作系统到某一个硬 件平台，既要分析这个嵌入式操作系统的组织形式，又要考虑这个硬件平台在这 个嵌入式操作系统的组织形式下的具体内容 尽管如此，操作系统作为硬件和应用软件的接口，它的地位没有变化。因此， 移植嵌入式操作系统既要搞清楚硬件平台，也要搞清楚移植的操作系统。在分析 硬件和软件的同时，研究和借鉴现有的嵌入式系统也是一种十分重要的方法。 文献1 6 】讨论了一种通用的硬件抽象层设想。作者希望设计一种组织嵌入式 系统中硬件相关代码的标准方法。如果嵌入式操作系统和平台相关硬件抽象层都 按照这样的标准设计，那么嵌入式操作系统无需移植就可以运行在这个平台的通 用硬件抽象层之上。由于现在已经开发出很多优秀的嵌入式操作系统，这样的设 想能否付诸实际和成功推行还不确定。 1 3i e e e8 0 2 1 5 4 协议概述 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了低速率无线个域网( l r w p a n ) 的媒体接入控制层 ( m a c ) 和物理层( p h y ) 。符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的器件，功耗很小，不要 求配备电池，或者只要求配备小容量的电池，一般在个人活动空间( 1 0m 直径或 2 第一章绪论 更小1 内工作j 。 i e e e8 0 2 1 5 4 是一个简单、低成本、低功耗、低速率的设备互联标准。设 备之间最大数据速率可以达到2 5 0 k b p s ，可以满足一些简单交互式玩具的要求。 在诸如传感器这种应用中，这个速率可以下调到2 0 k b s 或者更低，以降低功耗。 8 0 2 1 5 4 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，它定义了2 4g h z 频段和8 6 8 9 1 5 m h z 频段两个物理层。符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的器件不必再考虑频率许可要求， 减少投资者的风险。设备根据频段的质量自行选择一个工作信道。 i e e e8 0 2 1 5 4 设备可以分为两种。一种是全功能设备( f f d ) ，另一种是简 化功能设备( r f d ) 。f f d 可以当作个域网协调器、协调器或者设备：f f d 可以 和另一个f f d 通信，而r f d 则只能和f f d 通信。r f d 通常只是一个简单的设 备，只和一个f f d 通信，因此通常一个r f d 成本很便宜。 协调器和简单设备之间有两种同步方式。一种是当简单设备向协调器请求信 标时，协调器才向设备发送信标；另一种是协调器定时向设备发送信标，发送信 标采用超帧结构。 z i g b e e 协议选用i e e e8 0 2 1 5 4 协议作为其物理层和数据链路层协议f ”。 1 4 本论文的工作内容和目标 本论文第二章深入分析嵌入式操作系统e c o s 的组织结构、异常和中断的处 理、内核同步原语、应用开发流程以及其移植。这些分析为e c o s 的移植和应用 做准备。 本论文第三章介绍f r e e s e a l e 公司c o l d f i r e 系列m c u 的架构特点，包括架 构、工作模式和异常处理流程，并简单介绍具有c o l d f i m 系列m c u 的硬件开发 平台m c f 5 2 0 8 e 。 在此基础上，本论文第四章实现移植e c o s 到硬件开发平台m c f 5 2 0 8 e v b ， 并完成驱动程序设计，同时对移植的性能和驱动程序进行测试。移植性能测试的 主要内容是e c o s 的实时性。 作为基于f r e e s c a l e 公司c o l d f i r e 系列m c u 的e c o s 的一个应用，本论文实 现i e e e8 0 2 1 5 4 协议的物理层。本论文第五章首先分析了i e e e8 0 2 1 5 4 标准， 然后介绍r f l 3 1 9 2 射频收发器。r f l 3 1 9 2 是评估板m c f 5 2 0 8 e v b 上的颗射频 控制芯片，它提供满足i ee8 0 2 1 5 4 标准的物理层。在分析了i e e e8 0 2 1 5 4 协 议和r f l 3 1 9 2 的基础上实现i e e e8 0 2 1 5 4 协议的物理层。 本论文的目标为：分析c o o s 嵌入式操作系统；分析f r e e s e a l e 公司c o l d f i r e 系列m c u ；移植e c o s 到具有c o l d f i r e 系列m c u 的开发平台m c f 5 2 0 8 e v b ； 电了科技大学硕士学位论文 编写q s p i 总线的e c o s 驱动程序；分析i e e e8 0 2 1 5 4 标准；分析支持i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的射频收发器r f l 3 1 9 2 ；实现i e e e8 0 2 1 5 4 协议物理层。 4 第二章c c o s 的分析及其应用开发流程概述 第二章e c o s 的分析及其应用开发流程概述 e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) 嵌入式可配置操作系统，是一 个由g n u 开源开发工具支持的开源实时操作系统。本章描述e c o s 的特性，包 括e c o s 的组织结构、e c o s 处理异常和中断的方法、e c o s 同步机制等等，并简单 介绍了利用e c o s 开发应用程序的流程和e c o s 的移植。 2 1 嵌入式操作系统e c o s 概述 e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) 嵌入式可配置操作系统，是一 个由g n u 开源开发工具支持的开源实时操作系统。它依照g p l 协议发布，同时 也允许应用程序链接e c o s 内核而不需要公开应用程序的代码【引。 1 9 9 7 年，c y g n u s 公司进行e c 璐的开发，后来c y g n u ss o l u t i o n 被r e d h a t 收 购，e c o s 成为r e d h a t 嵌入式产品，现在最新版本是2 0 。2 0 0 3 年，e c o s 内核开 发人员创建e c o s c e n t r i c 公司，推广e c o s p r o 开发工具包和e c o s 应用的设计方案。 e c o s 的内核功能强大，配置灵活。e c o s 的内核提供了线程调度、同步、定 时器以及各种同步原语。e c o s 管理硬件资源，例如中断、异常、内存以及缓存 等。e c o s 支持t c p i p 协议栈i l o l 。 e c o s 具有基于g u i 的配置工具。利用这个配置工具可以完成从组件到选项 的配置。一个只有内核的e c o s 配置只有几十个k b 1 1 】。 e c o s 的可移植性很强。e c o s 具有一个硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t l a y e r ) ，它屏蔽了下层的硬件细节，使得内核和其它实时组件可以运行在许多不 同的平台上。现在，e c o s 可以支持m i p s 、a r m 、c o l d f i r e 等多种架构的处理器 和各种平台。 越来越多的人使用e c o s 来开发嵌入式系统。根据l i n u x d e v i c e s c o m 的调查， 2 0 0 5 年约有4 的嵌入式系统使用了e c o s ，2 0 0 6 年约有6 的嵌入式系统使用了 e c o s 12 1 。 1 e c o s 文件组织结构 e c o s 的源代码文件按照模块单独存放，使用组件描述语言( c d l ) 组织管 理。开发人员根据嵌入式应用的需要，利用配置工具增加或者删减组件。没有被 选项的组件将不会被编译，以减少生成的映像所需要的存储空间。在选中的组件 中还可以再对选项进行配置。高度的可配置能力是e c o s 系统的一大特点。 e c o s 用组件仓库包含所有的组件( 包) 。e c o s 目录包含了e c o s 的发布文件，它 的子目录p a c k a g e s 就包含了整个组件仓库。对于使用e c o s 仓库开发应用软件的 电子科技大学硕士学位论文 开发人员，这个组件仓库可以是只读的；只有涉及到 e c o s 的内核开发，或者移 植，以及驱动程序开发的开发人员才需要修改组件仓库中的内容。e c o s 组件仓 库路径结构如图2 1 所示。 录。 图2 1o c o s 组件仓库路径结构 表2 1 描述了图2 1 中e c o s 组件仓库路径结构中文件e c o s d b 和各个子目 表2 1 组件仓库路径结构描述 路径描述 e s d b c d l 脚本文件。包含组件仓库中组件的信息。 c o m p a t用于兼容p o s i x ( i e e e1 0 0 3 1 1 和ui t r o n3 0 的组件( 包) 。 c y g m o n用于c y g m o n 单独调试监视器组件( 包) 。 d e v s包含所有特定硬件设备驱动组件，如以太网，串口等。 f s 包含所有r a m 和r o m 文件系统的包。 h a l 包含所有e c o s 支持的硬件目标平台 i n f r a 包含e c o s 基本选项，如通用类型、宏以及启动选项等。 1 0包含所有通用的与硬件无关的输入输出系统支持，例如阻太网，串口等。 k e r n e l 包含提供e c o s 内核功能( 例如调度器、信号量、线程等) 的包。 l a n g u a g e包含用于支持i s oc 和数学库的包。 n e t 包含支持t c p i p 等网络协议的包。 r e d b o o t 包含用于r e d b o o t 单独调试r o m 监视器的包。 包含用于支持动态内存分配以及压缩解压缩等服务的包。 第二章c c o s 的分析及其应用开发流程概述 在每一个具体的组件文件夹内，一般都有i n c l u d e ，s r c 和c d l 文件夹，可能 也有t e s t s 和d e c 文件夹。如图2 2 所示。 图2 2 e g o s 组件定义结构 c a l l 包含这个组件描述脚本文件，i n c l u d e 包含这个组件用到的头文件，s i c 包含这个组件的源文件，t e s t s 包含这个组件的测试文件，d e c 包含这个组件的联 机说明文档。 2 e c o s 的组件层次 e c o s 的组件具有层次关系。其中，硬件抽象层( m 也) 和驱动程序与硬件 相关，内核和网络等组件都在h a l 和驱动程序之上，跟硬件无关。因此，移植 e c o s 到某一特定硬件平台时，只需要编写针对这个硬件平台的h a l 和驱动程序。 这样的结构使得e c o s 容易移植到各种不同架构的处理器和不同型号的开发平台 匕。 a p p 删o a 圈图圆 圈_ 圈 图2 3e g o s 一个示例配置的组件层次结构 电予科技大学硕士学位论文 图2 3 是c c o s 的一个示例配置的组件层次结构框图。其中，内核组件和硬 件抽象层组件是必须的，其它组件都是可选的。c c o s 的配置工具可用来配置组 件。利用配置工具，开发人员可以按照需要添加或者减少组件。在配置组件时， 组件间层次关系决定它们之间的依赖关系。如果添加某一个组件时，已有的配置 中没有这个组件所依赖的组件，那么就会产生一个冲突。 在c c o s 系统中，组件间的依赖关系由组件描述脚本指出，其关键字是 r e q u i r e 。例如，在文件k e r n e l c d l 中，组件c y g p k g 依赖于_kernel_debug c y g v a r _ k e r n e l _ t h r e a d s _ l i s t 和 c y g d b gh a ld e b u gg d bt h r e a ds u p p o r t 。 2 2c c o s 异常与中断处理 异常是线程执行过程中，打断正常指令流的同步事件。中断是指在程序执行 时，发生一个外部的异步事件，引起正在执行的代码中断。典型的中断比如按下 一个按键等。 2 2 1c c o s 异常处理 在电路系统中，硬件或者软件错误都有可能引起异常。例如内存访问出错， 或者除法运算中，除数为零，这些情况都会打断正常的指令流，产生异常。 图2 4e c o s 异常处理流程1 1 3 】 8 第一二章e c o s 的分析及其应用开发流程概述 处理好异常，可以提高系统的稳定性。如果异常处理不好，可能会引起系统 的行为异常，甚至可能会导致系统崩溃。e c o s 有两种办法处理异常，如图2 4 所示。第一种是h a l 和内核异常处理相结合。当异常产生时，h a l 提供通用的 在硬件层次上的异常处理，然后把控制权交给应用程序作更一步的处理。 第二种方法是应用程序异常处理。它允许应用程序完全地接管异常，直接捆 绑一个对某个异常的中断服务例程。在这种模式下，中断服务例程要用相应硬件 的汇编语言来实现。 图2 4 中，从硬件层往上，有两条路径。一条是通过系统调用异常( s y s t e mc a l l e x c e p t i o n ) 传递给h a l 缺省异常句柄( h a ld e f a u l te x c e p t i o nh a n d l e r ) ，这一条路径 即是h a l 与内核相结合的异常处理。另一条通过自定义异常处理传递给应用程 序中的服务例程，这和条路径就是应用程序中的异常处理。更多详细内容见文献 1 3 q a 异常处理。 2 2 2e c o s 中断处理 跟异常处理相似，当中断产生时，处理器跳转到一个特定的地址执行中断服 务例程。对嵌入式系统而言，中断延时是一个重要的指标。中断延时是指从中断 产生到相应的i s r 开始执行这一段时间。e c o s 具有独特的中断处理机制来减少 中断延时。 e c o s 把中断服务程序分成两部分，第一部分是i s r ，后一部分是延迟服务例 程d s r ( d e f e r r e ds e r v i c er o u t i n e ) 。处理器在进入某个中断对应的i s r 时，屏蔽 了所有的外部中断。在稍后执行相应的d s r 时，外部中断被打开，这时，如果 有比当前中断优先级更高的中断，处理器可以打断当前的d s r ，进入优先级更 高的中断的i s r 。这样的机制就是为了保证系统禁止中断的时间最少，减少系统 的中断时延。 如果中断只处理很少的事情，那么可以把要完成的任务全部安排在i s r 里 面。如果中断服务程序比较复杂，就需要安排一个- d s r ，d s r 在稍后允许线程 调度的时候执行。d s r 可以使用内核的线程同步原语。比如通过一个信号量， 通知某个线程中断已经发生。 一般来讲，d s r 总是紧接着i s r 后面执行。但是如果在线程里面关闭了线 程调度，那么d s r 总不能被执行，直到打开线程调度器。i s r 的优先级总比d s r 高，d s r 的优先级总比线程高。 e c o s 把中断服务程序分成两部分以减少中断时延。为了保证这种机制能够 正常工作，必须保证在一个中断对应的d s r 执行完以前，同样的中断不应该再 发生。可以在一个中断对应的i s r 开始时禁止本中断，在d s r 结束时再打开本 中断。 9 电子科技大学硕士学位论文 由于在i s r 中，调度器是被关闭了的，因此，在i s r 中不能有任何的跟调 度器相关的同步函数调用。这些函数调用包括信号量( s e m a p h o r e s ) ，互斥量 ( m t c x e s ) 和条件变量( c o n d i t i o nv a r i a b l e s ) 。 尽管在商s r 中调度器是打开的，但 是在d s r 中不能有阻塞的系统调用。这是因为d s r 的优先级高于线程，而阻塞 后的d s r 又在等待某个线程释放资源，这样系统就会进入死锁。 c c o s 的中断处理过程如图2 5 所示。 圉2 5e g o s 中断处理执行流程i ” 图2 5 中，带有箭头的连线表示函数的调用关系。从同一个块中连出的多条 线表示从左到右依次调用。 在h a l 缺省的中断v s r 函数f h a l d e f a u l t i n t e r r u p t v s r ) 里，第一件事情就 是保存上下文。接着，为内核调度锁加1 ，以确保在接下来的i s r 程序段中，内 核调度器是关闭的。然后调用i s r 。从i s r 返回之后，调用中断结束函数 i n t e r r u p t _ e n d 。根据i s r 的返回值，i n t e r r u p t _ e n d 函数决定是否调用p o s t _ d s r 函数。 s c h e d u l e r函数打开内核的调度器，如果此时有还没有执行，那么执_ u n l o c kd s r 行d s r 所有的d s r 函数执行完毕之后，i n t e r r u p t _ e n d 函数返回。恢复刚才保 存的上下文，继续执行被中断中止的程序。 2 3 计数器与时钟 e c o s 内核中的计数器用来跟踪某一特定事件发生的次数。计数器最大用途 是实现时钟，除此之外，也可以用计数器来跟踪其它事件的发生次数。如果捆绑 l o 第二章e c o s 的分析及其应用开发流程概述 了一个告警在一个计数器上，当这个计数器计到一定数目的时候，就可以引起这 个告警对应的函数调用。 e g o s 内核中的时钟是一个特殊的计数器，它只和硬件时钟相联系，硬件时 钟每隔一个特定时间间隔产生一个滴答。而一般的计数器可以和任意的事件相联 系。 在内核层次上，所有的时钟相关的操作，包括时延、超时和告警等都是以时 钟滴答为单位，而不是秒或微秒。用滴答作单位更能反映系统硬件的特征。秒和 滴答之间的换算是基于时钟分辨率来实现的。内核中，时钟分辨率是一个结构体， 它有两个域，一个作除数，一个作被除数，它们一起指定一个时钟滴答里的纳秒 数。 例如，一个系统的实时时钟是1 0 0 h z ，那么在一个滴答是1 0 m s ，即一个滴 答有1 0 , 0 0 0 , 0 0 0 个纳秒。所以，这两个域内可以分别是1 0 ，0 0 0 ，0 0 0 和1 ，或者典 型地，这两个域内分别为1 0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 和1 0 0 。 2 4e c o s 同步机制 e c o s 内核提供两个或多个线程之间通信以及同步访问共享资源的机制。它 们是互斥体、信号量、条件变量、邮箱、事件标志和旋转锁。内核同样提供了 a p i 函数，使得应用程序可以使用这些同步机制。 1 互斥体( m u t e x e s ) 互斥体允许两个或多个线程依次访问一个共享的资源。 互斥体与两个状态的信号量( s e m a p h o r e ) l 拘相似之处在于。它们都只锁定和上 锁。它们的差别在于1 ) 互斥体提供优先级继承的保护，而两状态的信号量不提供 优先级继承保护；2 1 互斥体属于某个特定的线程，一个线程锁定了一个互斥体， 也只能由这个线程解开锁定。而任何一个线程都可以解开两状态信号量的锁定。 在实时系统中，互斥体带来优先级反转的问题。当一个高优先级的线程被一 个低优先级的线程阻塞的时候，就发生了优先级的反转。例如，一个高优先级的 线程阻塞在一个低优先级线程正在使用的互斥体上，而此时，另外一个优先级介 于二者之间的不相关的线程被安排优先于低优先级线程执行。这样，高优先级的 线程就不能依照它本身的优先级别优先执行了。 e c o s 有两种方法来解决优先级反转的问题。第一种是优先级天花板策略， 按照这种策略，所有获得( a c q u i r e ) 互斥体的线程都把优先级上升到一个预先设定 的级别上去，这个预先设定的优先级就称为天