基于龍芯2F平臺(tái)下Vxworks移植的研究與實(shí)現(xiàn)

郭勇等

【摘 要】本文簡(jiǎn)單介紹了VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和龍芯2F處理器，對(duì)基于龍芯2F平臺(tái)的VxWorks系統(tǒng)移植進(jìn)行了分析，并詳細(xì)介紹了移植內(nèi)容，包括文件的配置、中斷管理、PCI庫的實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)程序等方面詳細(xì)。

【關(guān)鍵詞】龍芯2F；VxWorks；BSP；系統(tǒng)移植

0 引言

VxWorks是美國WindRiver公司推出的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。

龍芯系列處理器是中國科學(xué)院計(jì)算所自主開發(fā)的國產(chǎn)處理器系，龍芯2F微處理器是64位MIPS 指令集的通用RISC處理器，其最高工作頻率為1GHZ[1]，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的龍芯平臺(tái)大都基于Linux操作系統(tǒng)，但是在工業(yè)控制、高性能嵌入式等領(lǐng)域，對(duì)實(shí)時(shí)性、定制性的要求很高，因此VxWorks系統(tǒng)才是比較理想的選擇。

本文首先明確移植的基本思路，然后分別從中斷分級(jí)管理性維護(hù)、地址空間的訪問擴(kuò)展、PCI設(shè)備的讀寫機(jī)制和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)與配置的建立等幾個(gè)方面來展開相關(guān)的工作。

1 BVxWorks移植分析

1.1 VxWorks移植的主要內(nèi)容

VxWorks主要由三部分組成：BSP、微內(nèi)核及I/O系統(tǒng)，BSP（ Board Support Package）是板級(jí)支持包，是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一層，包括硬件初始化、中斷處理、時(shí)鐘管理、MMU等功能.在龍芯2F平臺(tái)上移植VxWorks，主要就是完成板級(jí)支持包BSP的開發(fā).

1.2 VxWorks啟動(dòng)流程分析與移植思路

與X86的BIOS不同，龍芯2開發(fā)板的BIOS采用了PMON，可以通過網(wǎng)絡(luò)或硬盤直接加載ELF格式的VxWorks映像文件到內(nèi)存中運(yùn)行。對(duì)可下載型的VxWorks映像文件，說明如下[2]。

SysInit（）為VxWorks映像的入口函數(shù)，它由匯編語言編寫。SysInit（）通過對(duì)CPU內(nèi)部各種控制與狀態(tài)寄存器的設(shè)置來使得CPU具有確定的工作方式和穩(wěn)定的狀態(tài)等，然后跳到c語言函數(shù)usrInit（）。

usrInit（）函數(shù)主要進(jìn)行外圍硬件初始化，為下載VxWorks內(nèi)核映像做初始準(zhǔn)備，主要包括cache庫初始化、系統(tǒng)中斷向量初始化、目標(biāo)板硬件初始化等，最后調(diào)用kernelInit（）。

kernelInit（）為由風(fēng)河vxWorks庫文件封裝的，功能為提取kernel并運(yùn)行，使得后期的初始化能夠以kernel下運(yùn)行的任務(wù)來完成。該任務(wù)名為tRootTask，它執(zhí)行的方式類似于usrRoot。

針對(duì)龍芯2F開發(fā)板，usrInit（）調(diào)用的cacheLibInit（）、sysHwInit（）、sysHwInit2（）等函數(shù)是與硬一些主要的硬件初始化函數(shù)。一部分處理器由于有第三方支持的BSP，可以使用戶方便的使用。而對(duì)于龍芯2F，由于其為國產(chǎn)處理器，則通常需要自己建立龍芯2F 專用的BSP。

通常情況下BSP開發(fā)的流程是，先實(shí)現(xiàn)一個(gè)最小化的VxWorks內(nèi)核，向其中添加定時(shí)器、串口設(shè)備、中斷控制器等基本驅(qū)動(dòng)程序，使得VxWorks系統(tǒng)基本可用，然后在此基礎(chǔ)上添加其他設(shè)備，最終滿足目標(biāo)需求.本文進(jìn)行龍芯2F平臺(tái)的BSP開發(fā)也是基于該流程。

2 龍芯2F平臺(tái)的VxWorks移植

2.1 Config.h與MakeFile文件的配置

為了使Pmon能夠直接加載VxWorks，需要在BSP 包的MakeFile與Config.h件中修改VxWorks映像文件的入口地址，使其在Pmon支持的加載地址范圍內(nèi)。Config.h文件還涵蓋了龍芯2F的所有包含文件和定義，需要對(duì)其修改.修改Config.h文件如下：

#define ROM_BASE_ADRS 0xbfc00000

#define ROM_TEST_ADRS 0xbfc00000

#define ROM_SIZE 0x00100000

#define ROM_HIGH_ADRS 0x bfd00000

#define ROM_LOW_ADRS 0x 00100000

中，ROM_BASE_ADRS表示ROM的基地址，ROM_TEST_ADRS表示初始化啟動(dòng)代碼存放在ROM中的起始地址，ROM_SIZE表示ROM 的大小，若存儲(chǔ)空間大小為8Mbit，則應(yīng)該定義為為0x00100000.ROM_HIGH_ADRS表示復(fù)制BooTROM 到RAM 所使用的目標(biāo)地址，ROM_LOW_ADRS表示RAM中的VxWorks運(yùn)行的起始地址。

此外還要修改MakeFile文件，如CPU類型號(hào)，選擇編譯工具，附加編譯選項(xiàng)等。應(yīng)注意要保證MakeFile和ConFig.h中ROM和RAM宏定義中地址一致等。

2.2 中斷管理

龍芯處理器在它的Cause寄存器中有8個(gè)獨(dú)立的中斷位，分別對(duì)應(yīng)IP1-IP8，當(dāng)中斷發(fā)生觸發(fā)異常，異常處理函數(shù)讀取Cause寄存器的EXCODE域?yàn)?，判斷異常為中斷產(chǎn)生，然后讀取Cause寄存器IP位判斷中斷來自哪個(gè)引腳[3-4]。

VxWorks通過intPrioTable[]來管理MIPS的一級(jí)中斷，intPrioTable[]表項(xiàng)數(shù)據(jù)類型為PRIO_TABLE，根椐本課題實(shí)際應(yīng)用，intPrioTable[]數(shù)組設(shè)計(jì)如下。

PRIO_TABLE intPrioTable[] =

{

{CAUSE_SW1， （ULONG） IV_SWTRAP0_VEC， 0x000100， 0}，

{CAUSE_SW2， （ULONG） IV_SWTRAP1_VEC， 0x000200， 0}，

{CAUSE_IP3， （ULONG） sysFeiInt， 0x000400， 1}，

{CAUSE_IP4， （ULONG） sysSerialprint， 0x000800， 36}，

{CAUSE_IP5， （ULONG） NULL， 0x001000， 0}，

{CAUSE_IP6， （ULONG） NULL， 0x002000， 0}，

{CAUSE_IP7， （ULONG） sysNetInt， 0x004000， 40}，

{CAUSE_IP8， （ULONG） IV_TIMER_VEC， 0x008000， 0}，

}；

2.3 PCI庫的實(shí)現(xiàn)

在Vxworks的硬件初始化函數(shù)sysHwInit（）中對(duì)PCI庫進(jìn)行初始化。對(duì)于龍芯2而言，PCI采用配置機(jī)制0，讀寫函數(shù)具體由sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）來實(shí)現(xiàn)，通過PCI總線號(hào)，PCI設(shè)備號(hào)，PCI功能號(hào)，按傳入的字節(jié)寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI配置空間的寄存器地址進(jìn)行讀寫操作。PCI庫初始化如下：

pci Config LibInit （PCI_MECHANISM_0， ULONG） sysPciConfigRead， ULONG）sysPciConfigWrite，NONE）；sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）基本實(shí)現(xiàn)見[4]。Vxworks中實(shí)現(xiàn)PCI資源（I/O端口地址、PCI Memory地址、中斷號(hào)）的自動(dòng)分配可以通過sysPciAutoConfig （）接口來實(shí)現(xiàn)。

2.4 串口驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

龍芯2F平臺(tái)的啟動(dòng)過程中，需要對(duì)串口設(shè)備初始化.普通多模式串行驅(qū)動(dòng)程序存放在target/src/drv/sio目錄下.此目錄中包括了很多常見的串口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源文件，如i8250SIO.c和nsl16550sio.c等等，同時(shí)還包含了templateSio.c模板文件.龍芯2F中的UART串口設(shè)備兼容NS 16550，因此可以直接使用nsl16550sio.c作為串口驅(qū)動(dòng).如果需要添加特殊串口設(shè)備時(shí)，需要先在模版templateSio.c上創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序，然后修改BSP的syslib.c或sysSerial.c文件，以使它們包括所需的驅(qū)動(dòng)程序.由于本文龍芯2F平臺(tái)的所用硬件均為普通的常用設(shè)備，可同樣按照上述方式添加與配置.

3 結(jié)束語

針對(duì)不同的用途和需求，龍芯2F的硬件平臺(tái)配置也各不相同，但Vxworks移植的方法是類似的.本文詳細(xì)研究了龍芯2F平臺(tái)下的Vxworks移植方法，并在龍芯2F開發(fā)板上驗(yàn)證了其可行性，一定程度上可以拓展龍芯系列在高性能嵌入式等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龍心.中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所.2F處理器用戶手冊(cè)[Z].2008.

[2]王金剛，譯.Wind River.VxWorks BSP開發(fā)人員指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]Wind River Ststem，Inc，VxWorks BSP Developers Guide [Z] ，2008.

[4]趙傳良，張福新，陶品，等，譯.Dominic Sweetman MIPS處理器設(shè)計(jì)透視[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

{CAUSE_SW2， （ULONG） IV_SWTRAP1_VEC， 0x000200， 0}，

{CAUSE_IP3， （ULONG） sysFeiInt， 0x000400， 1}，

{CAUSE_IP4， （ULONG） sysSerialprint， 0x000800， 36}，

{CAUSE_IP5， （ULONG） NULL， 0x001000， 0}，

{CAUSE_IP6， （ULONG） NULL， 0x002000， 0}，

{CAUSE_IP7， （ULONG） sysNetInt， 0x004000， 40}，

{CAUSE_IP8， （ULONG） IV_TIMER_VEC， 0x008000， 0}，

}；

2.3 PCI庫的實(shí)現(xiàn)

在Vxworks的硬件初始化函數(shù)sysHwInit（）中對(duì)PCI庫進(jìn)行初始化。對(duì)于龍芯2而言，PCI采用配置機(jī)制0，讀寫函數(shù)具體由sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）來實(shí)現(xiàn)，通過PCI總線號(hào)，PCI設(shè)備號(hào)，PCI功能號(hào)，按傳入的字節(jié)寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI配置空間的寄存器地址進(jìn)行讀寫操作。PCI庫初始化如下：

pci Config LibInit （PCI_MECHANISM_0， ULONG） sysPciConfigRead， ULONG）sysPciConfigWrite，NONE）；sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）基本實(shí)現(xiàn)見[4]。Vxworks中實(shí)現(xiàn)PCI資源（I/O端口地址、PCI Memory地址、中斷號(hào)）的自動(dòng)分配可以通過sysPciAutoConfig （）接口來實(shí)現(xiàn)。

2.4 串口驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

龍芯2F平臺(tái)的啟動(dòng)過程中，需要對(duì)串口設(shè)備初始化.普通多模式串行驅(qū)動(dòng)程序存放在target/src/drv/sio目錄下.此目錄中包括了很多常見的串口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源文件，如i8250SIO.c和nsl16550sio.c等等，同時(shí)還包含了templateSio.c模板文件.龍芯2F中的UART串口設(shè)備兼容NS 16550，因此可以直接使用nsl16550sio.c作為串口驅(qū)動(dòng).如果需要添加特殊串口設(shè)備時(shí)，需要先在模版templateSio.c上創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序，然后修改BSP的syslib.c或sysSerial.c文件，以使它們包括所需的驅(qū)動(dòng)程序.由于本文龍芯2F平臺(tái)的所用硬件均為普通的常用設(shè)備，可同樣按照上述方式添加與配置.

3 結(jié)束語

針對(duì)不同的用途和需求，龍芯2F的硬件平臺(tái)配置也各不相同，但Vxworks移植的方法是類似的.本文詳細(xì)研究了龍芯2F平臺(tái)下的Vxworks移植方法，并在龍芯2F開發(fā)板上驗(yàn)證了其可行性，一定程度上可以拓展龍芯系列在高性能嵌入式等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龍心.中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所.2F處理器用戶手冊(cè)[Z].2008.

[2]王金剛，譯.Wind River.VxWorks BSP開發(fā)人員指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]Wind River Ststem，Inc，VxWorks BSP Developers Guide [Z] ，2008.

[4]趙傳良，張福新，陶品，等，譯.Dominic Sweetman MIPS處理器設(shè)計(jì)透視[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

{CAUSE_SW2， （ULONG） IV_SWTRAP1_VEC， 0x000200， 0}，

{CAUSE_IP3， （ULONG） sysFeiInt， 0x000400， 1}，

{CAUSE_IP4， （ULONG） sysSerialprint， 0x000800， 36}，

{CAUSE_IP5， （ULONG） NULL， 0x001000， 0}，

{CAUSE_IP6， （ULONG） NULL， 0x002000， 0}，

{CAUSE_IP7， （ULONG） sysNetInt， 0x004000， 40}，

{CAUSE_IP8， （ULONG） IV_TIMER_VEC， 0x008000， 0}，

}；

2.3 PCI庫的實(shí)現(xiàn)

在Vxworks的硬件初始化函數(shù)sysHwInit（）中對(duì)PCI庫進(jìn)行初始化。對(duì)于龍芯2而言，PCI采用配置機(jī)制0，讀寫函數(shù)具體由sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）來實(shí)現(xiàn)，通過PCI總線號(hào)，PCI設(shè)備號(hào)，PCI功能號(hào)，按傳入的字節(jié)寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI配置空間的寄存器地址進(jìn)行讀寫操作。PCI庫初始化如下：

pci Config LibInit （PCI_MECHANISM_0， ULONG） sysPciConfigRead， ULONG）sysPciConfigWrite，NONE）；sysPciConfigRead（）和sysPciConfigWrite（）基本實(shí)現(xiàn)見[4]。Vxworks中實(shí)現(xiàn)PCI資源（I/O端口地址、PCI Memory地址、中斷號(hào)）的自動(dòng)分配可以通過sysPciAutoConfig （）接口來實(shí)現(xiàn)。

2.4 串口驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

龍芯2F平臺(tái)的啟動(dòng)過程中，需要對(duì)串口設(shè)備初始化.普通多模式串行驅(qū)動(dòng)程序存放在target/src/drv/sio目錄下.此目錄中包括了很多常見的串口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)源文件，如i8250SIO.c和nsl16550sio.c等等，同時(shí)還包含了templateSio.c模板文件.龍芯2F中的UART串口設(shè)備兼容NS 16550，因此可以直接使用nsl16550sio.c作為串口驅(qū)動(dòng).如果需要添加特殊串口設(shè)備時(shí)，需要先在模版templateSio.c上創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序，然后修改BSP的syslib.c或sysSerial.c文件，以使它們包括所需的驅(qū)動(dòng)程序.由于本文龍芯2F平臺(tái)的所用硬件均為普通的常用設(shè)備，可同樣按照上述方式添加與配置.

3 結(jié)束語

針對(duì)不同的用途和需求，龍芯2F的硬件平臺(tái)配置也各不相同，但Vxworks移植的方法是類似的.本文詳細(xì)研究了龍芯2F平臺(tái)下的Vxworks移植方法，并在龍芯2F開發(fā)板上驗(yàn)證了其可行性，一定程度上可以拓展龍芯系列在高性能嵌入式等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1]龍心.中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所.2F處理器用戶手冊(cè)[Z].2008.

[2]王金剛，譯.Wind River.VxWorks BSP開發(fā)人員指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]Wind River Ststem，Inc，VxWorks BSP Developers Guide [Z] ，2008.

[4]趙傳良，張福新，陶品，等，譯.Dominic Sweetman MIPS處理器設(shè)計(jì)透視[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]