2018年02月05日 | 基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式CPU的解析方案

    1 前言

    在当今后PC时代，嵌入式系统应用得越来越广泛，嵌入式产品充斥着许多领域，日常生活的手机，MP4，PDA等都属于典型的嵌入式系统。在嵌入式系统中，微处理器和操作系统是进行应用开发的基础。在微处理器方面，S3C2410是Samsung公司推出的一款基于ARM920T内核的16/32位 RISC嵌入式CPU，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用。在操作系统方面，Windows CE 5.0是由微软提供的一款嵌入式操作系统，在Windows CE 4.2基础上，它又加入了一些新特性以满足市场需求。板级支持包 (Board Support PACkage，BSP)是操作系统的一个组成部分，提供对硬件的支持。BSP的开发在整个产品开发时间上占了很大比例，快速的移植满足产品需求的BSP 在竞争激烈的市场环境里显得很重要。目前已有许多关于S3C2410、Windows CE以及BSP相关的研究报道，文献[1]研究基于s3c2410的GPS通信技术及实现，文献[2]中详尽分析Windows CE的结构，文献[3]中归纳了Windows CE 4.2专用操作系统的定制和裁剪方法，文献[4]则探讨基于DSP嵌入式多媒体应用系统板级支持包的开发。目前关于Windows CE的应用主要采用Windows CE 4.2及以下版本，本文研究基于S3C2410的Windows CE 5.0 BSP移植技术。

    2 Windows CE 5.0及BSP结构分析

    移植基于S3C2410的Windows CE 5.0 BSP，需要分析Windows CE 5.0 及BSP结构。Windows CE 5.0是一款开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，具有高可靠性，是一种硬实时嵌入式操作系统，它可以在多种处理器架构(如x86、MIPS、ARM和 SH4)上运行，Windows CE支持ARM体系结构，这是基于S3C2410 处理器进行BSP移植的前提条件。Windows CE 5.0 BSP通常包含以下几部分：Bootloader，OAL(OEM adaptation layer)，设备驱动程序，配置文件等。

    BootLoader是加电即运行的一段程序，它初始化硬件，建立系统的内存空间映射，为最终调用系统内核做准备。在Windows CE 5.0系统中，它主要用于下载和启动镜像nk.bin，也就是两种工作模式：启动加载模式：用户最终使用的产品即为该模式;下载模式：镜像首先被bootloader下载到目标机的RAM中，然后被固化到Flash。

    设备驱动程序按照导出的接口不同可分为：本机驱动程序以及流接口驱动程序.本机驱动程序有GEWS.exe加载的鼠标，键盘，触摸屏，显示驱动等。而流接口驱动程序使用一组流函数来实现，通常由DevICe.exe加载，如网卡，声卡，USB等。

    OAL是逻辑上驻留在Windows CE内核与目标设备之间的代码层，在物理上OAL与内核库连接来产生内核可执行文件。OAL简化了操作系统与目标代码之间的通信，OAL代码用来处理中断，记时器，电源管理，通用I/O控制等[5]。

    Configuration File里面包含的是与生成的镜像相关的配置信息。

    移植Windows CE下S3C2410对应的BSP，就是修改Windows CE自带的BSP或者修改硬件平台以前版本的BSP的几个主要组成部分，使得BSP能有效支持硬件系统。

    3 BSP移植

    如果从零开始开发Widows CE 5.0 BSP，则需要相当长的时间。通常的做法是：（1）将自己硬件平台基于Windows CE 4.2及以前版本的BSP移植到Windows CE 5.0系统上;⑵从Windows CE 5.0 BSP中寻找与硬件平台最接近的作为模板，然后再从自己的硬件平台上入手做相应的修改，从而得到可以在自己系统上使用的BSP。本文探讨的BSP移植属于第一种情况。

    本次移植平台采用的是深圳英蓓特公司的EdukitIII实验箱，微处理器是S3C2410，外带64M NAND Flash芯片等相关硬件资源。软件资源有：edukit2410包(Windows CE 4.2版本下的BSP)。

    3.1 bootloader移植

    bootloader的执行流程如下：

    （1）执行startup.s：对CPU，内存控制器，Cache等做一些基本的初始化。

    （2）初始化串口：调用函数OEMInitDebugSerial()来完成。

    （3）初始化平台：调用函数OEMPlatformInit()，主要对所需硬件资源进行初始化，通常包括：以太网控制器(CS8900A)、系统时钟、存储设备以及其他一些外围设备。

    （4）调用函数OEMPreDownload()：做一些准备工作如获取IP地址，初始化TFTP连接等。

    （5）执行函数DownloadImage()：下载镜像到SDRAM中。

    （6）调用OEMLaunch()函数启动操作映像。

    其中startup.s,OEMInitDebugSerial()可以与OAL共享使用，两函数的修改在OAL移植过程中叙述。

    Bootloader移植主要过程有：

    （1）修改相应的dir，source文件，下面列出部分库路径：

    TARGETLIBS=

    $(_TARGETPLATROOT)lib$(_CPUINDPATH)CSP_arm.lib

    $(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUDEPPATH)eboot.lib

    $(_COMMONOAKROOT)lib$(_CPUINDPATH)cs8900dbg.lib

    其中csp_arm.lib这个库只存在于Windows CE 4.2的$(_PUBLICOAKROOT)，是ARM体系结构链接库之一，在Windows CE 4.2系统下位于PUBLIC目录，而在Windows CE 5.0系统下存在于PLATFORM，导致编译系统找不到该库文件，因此，修改这个库的链接路径，使得Platform builder这个编译系统能够找到这个链接库。

    （2）修改makefile.inc，因为该文件指定生成eboot.bin(Ethernet bootloader镜像)所需要的文件以及拷贝eboot.bin到releasedir目录，其中：

    romimage $(_TARGETPLATROOT)ebootoot.bib

    为生成生成eboot.bin所需要的配置文件，否则，系统通过编译却无法生成eboot.bin.

    （3）修改boot.bib，使其不与config.bib中的内存分配造成冲突。

    （4）改进eboot，因为eboot烧写NK.BIN(OS镜像)的时候会查找BINFS分区，然后把下载的image烧写到BINFS分区。如果没有找到现存的BINFS分区，eboot会低格NAND FLASH，并创建MBR(main boot record),在MBR中有分区表。目前最多支持4个分区，而BINFS分区的大小是以NK.BIN展开的大小按bLOCk对齐，所以会出现个问题，当修改过重新生成的NK.BIN比之前写进NAND FLASH的IMAGE大并且超出block对齐的时候，将会导致烧写新的NK.BIN失败，我们可以通过每次下载烧写NK.BIN前先低格NAND FLASH来解决这个问题，但显然这不是妥善的解决方法，增加用户使用复杂度，所以我们可以把BINFS分区的大小固定，而这个固定的大小可以参考生成 NK.BIN的config.bib中定义的ROMSIZE，这样无论NK怎么修改，BINFS一经创建无需更改，eboot把NK写进NAND FLASH之后，会把剩余的FREE空间创建一个FAT分区，如果我们要实现HIVE REGISTRY就可以把这个分区mounts成MountAsBootable。

    3.2 OAL移植

    OAL的移植过程中，OEM主要实现以下几个函数：Startup.s，调试串口函数，OEMInit函数，系统时钟函数，中断处理函数等。

    （1）修改Startup.s，此函数为OS启动时第一个要调用的函数，也是OEM要实现的重要函数之一，主要完成的功能是：将CPU初试化到一种已知的状态;并调用内核初始化函数kernelstart。Startup.s需要修改，修改后的部分代码如下：

    ……

    ldr r0, = 0X4A000008

    ldr r1, = 0xffffffff ; 禁止所有中断

    str r1, [r0]

    ldr r0, = 0X4A00001C

    ldr r1, = 0x7ff ; 禁止所有子中断

    str r1, [r0]

    ……..

    add r0, pc, #g_oalAddressTable - (. + 8)

    bl KernelStart //跳转到KernelStart

    （2）修改串口调试函数。执行完Startup.s,系统就跳转到Kernelstart函数，位于private目录，该函数第一个任务就是初始化串调试口，否则，就无法进行后面的调试工作。其中OEMReadDebugByte, OEMWriteDebugByte, OEMWriteDebugString不用做修改，需要注意的是OEMInitDebugSerial，选UART0，UART1的寄存器配置不一样，若选用UART0，使用配置：

    s2410IOP->rGPHCON &= ~((3 << 4) | (3 << 6));

    s2410IOP->rGPHCON |= ((2 << 4) | (2 << 6));

    而选择UART1，则使用配置的是：

    s2410IOP->rGPHCON &= ~((3 << 8) | (3 << 10));

    s2410IOP->rGPHCON |= ((2 << 8) | (2 <<10));

    （3）实现OEMInit()，该函数将调用以下函数：OALCacheGlobalsInit()，OALIntrInit()，OALTimerInit()，OALKitlStart()来初始化Cache Global,中断，时钟，启动KITL，实现代码如下：

    void OEMInit()

    {

    OALCacheGlobalsInit();// 初试化cache globals

    if (!OALIntrInit()) {

    OALMSG(OAL_ERROR, (

    L"ERROR: OEMInit: faiLED to initialize interrupts "

    ));

    } // 初试化中断

    OALTimerInit(1, S3C2410X_PCLK/2000, 0); // 初始化时钟

    OALKitlStart();// 初始化KITL

    }

    （4）实现OALTimerInit(),该函数用于初始化OS TIMER,设置每毫秒产生一个System tick,为系统计数，触发进程调度。由CPU的运行主频和硬件定时器资源来确定，执行过程有：初始化时钟状态全局变量，初始化高分辨率时钟函数指针，使能TIMER。

    （5）实现中断处理处理函数：OALIntrInit()，该函数通常先初始化中断映射表，因为WINCE为了模块化，把平台相关物理中断号和系统中断号建立映射。然后清除外部中断，内部中断等。

    3.3 驱动移植

    以触摸屏为例，来探讨Windows CE 5.0系统驱动程序移植。这里以三星公司ARM9内核芯片S3C2410触摸屏接口为基础，通过外接4线电阻式触摸屏构成硬件基础,整个触摸屏由横向电阻线和纵向电阻线组成。触摸屏驱动的主要函数组成有：

    TSP_Poweron 该函数将执行触摸屏的一些初始化，主要是寄存器的配置。

    DdsiTouchPanelEnable：使能DDSI接口，使得硬件能将流数据提供给DDSI接口，就可以实现触摸的操作了。

    DdsiTouchPanelSetMode：模式设置函数，设置触摸屏是高采样率还是低采样率

    DdsiTouchPanelGetPoint ：触摸屏进行采样函数

    TSP_CalibrationPointGet：坐标转换函数，该函数实现将从AD采样植转换成坐标。

    移植主要过程：

    （1）修改source文件，要添加如下库文件：

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

    SOURCELIBS=

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

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

    因为这个驱动在Windows CE 4.2下面是在Public目录，而这里将该触摸屏移到了Platform下面，在Windows CE4.2下面是没有以上三条链接库，但Platform，Public编译路径，先决条件都不同。因此引用的库不一样。

    （2）删除如下库文件：

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

    该库在Windows CE 4.2系统下为触摸屏与音频共用库，但在Windows CE5.0系统下，这个库已经不是必要的并且已经不存在了，所以删除掉，否则系统会出编译错误。

    （3）修改platform.bib,将我们移植过来的驱动dll包含到nk.bin中

    （4）修改platform.reg,其中CalibrationData是触摸屏的一个参数：

    [HKEY_LOCAL_MACHINEHARDWAREDEVICEMAPTOUCH]

    "MaxCalError"=dword:7

    portrait

    "CalibrationData"="517,610 897,934 142,936 129,290 891,285 "

    其他驱动的过程与触摸屏类似。

    3.4 移植小结

    此次移植是升级BSP，而硬件上基本没有变化，因此很多代码不需做修改即可使用，通过以上移植，不难发现此类移植BSP过程中所要做的工作主要在以下几个方面：

    （1）修改dir文件，在dir文件中指定了当前目录哪些文件夹被系统编译，编译器根据dir层层搜索，而移植BSP不可避免的带来了目录的变化，通过修改dir来指定新的编译路径。

    （2）修改sources文件，在sources文件中，指定了编译类型有PLATFORM，OAK;编译的时候引用的库sourcelib,targetlib不一样，移植的时候一定得注意。目标文件类型有Library，Dynlink，program;include字段包含的则是编译时候所需要的头文件目录。有个比较特殊的sources是位于Platform(例如SMDk2410)下的sources.cmn，它包含了该平台的通用库，头文件路径，这个文件在移植过程中需要修改的，否则，编译出错。

    （3）修改platform.bib，platform.reg等文件，因为这两个文件决定了镜像中包含哪些模块(dll)以及注册表相关信息，驱动移植的过程中，每个模块的改动都需要修改这两个配置文件。

    （4）驱动源文件中的头文件的修改以及函数，变量修改等，这些依据编译时候出现的错误来确定。

    除此之外，各部分的移植还需特别注意的地方有：

    Bootloader部分：因为bootloader下载，烧写，启动镜像过程会涉及到内存地址的问题，各种入口地址不能出错误，以及内存超出范围，冲突都需要特别小心。尤其是g_oalAddressTable这个表，这个表定义了物理地址虚拟地址之间的转换以及内存的大小，如果设置不正确，将出现校验错误，下载失败或者镜像无法启动等错误。

    OAL部分：startup.s以及OEMInitDebugSerial两函数需要特别注意，这两个主要是初始化硬件及串口，这是系统运行及驱动调试的基础，如果硬件配置以及调试串口有改变，则需要适当的修改。此次BSP移植，因硬件平台没有变化，因此OAL部分很多代码无须修改即可使用。

    驱动部分：Windows CE4.2与Windows CE5.0的结构，库有了很大的改变，因此需要修改引用库路径，以及头文件的引用路径，大部分驱动都将会遇到这样的问题。

    4 结束语

    本文创新点：通过对BSP结构分析，将具体平台的Windows CE 4.2 BSP移植到Windows CE 5.0版本，包括移植bootloader,OAL,驱动程序，使之能够通过编译并生成镜像，已经能在平台上成功运行。通过这次移植，使笔者体会到BSP 移植是一个挺复杂，烦琐的过程，因Windows CE 5.0跟Windows CE 4.2 BSP包的组织结构不同，导致很多链接库无法找到或者是这些库已经被替换，删除，只有耐心的根据这些错误提示来定位，有时候也需要去makefile里去找答案。不过移植BSP比重新开发BSP更加节省开发时间，从而缩短产品的研发。