MPC8548平台下的VxWorks BSP开发

任修齐

(桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004)

VxWorks是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一款嵌入式实时操作系统（RTOS），其具有高性能的内核（Wind Kernel）、持续发展能力以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域一直占据着高端位置。当前实时嵌入式开发环境的关键组成部分一般采用VxWorks。考虑到VxWorks的通用性，WindRiver公司将操作系统与硬件之间的一层独立开来，命名为BSP（board support package）。BSP能够使操作系统相对于特定的硬件平台具有独立性，其对上层屏蔽、封装具体的硬件细节，为系统调用以及应用软件提供统一的接口[1]。

面对一个特定的硬件平台，需要在其支持简单外设时正常运行起来，这里涉及到的系统引导和驱动开发都是BSP的核心内容。因此BSP开发是进行嵌入式系统研发时需要完成的第一个任务。BSP与特定硬件关系密切，不同架构的CPU对应的BSP绝大部分不同，即使同一款CPU，在外设细微差异的情况下，BSP也会有较大的不同，这是BSP开发的复杂性所在[2]。本文以嵌入式微处理器MPC8548硬件平台为例，采用“整体移植，局部修改”的开发方法，利用WindRiver公司为PowePc CPU提供的BSP模板，详细介绍了VxWorks BSP开发过程。

1 BSP介绍

1.1 BSP的概念

BSP通常是指特定的硬件平台下的一个程序集合，包括启动代码和部分硬件设备驱动程序。在Vx-Works系统中，BSP简单描述为介于底层硬件环境和VxWorks之间的一个软件接口。

如图1[2]BSP和PC机主板上的BIOS有些类似，但有一些区别。由于PC产业的高度成熟，BIOS的设计已经充分标准化，BIOS主要是负责在PC机主板启动时检测、初始化系统设备，并没有包含一些基本外设的驱动。BSP的概念只是针对嵌入式操作系统而提出的，其实现有较大的灵活性。在启动的开始部分BSP和BIOS所做的工作类似，而后的大部分是不同的，BSP还包含和平台有关的基本驱动(串口、网口等)。另外BSP是和操作系统“捆绑”在一起运行于主板上的。

图1 RTOS BSP和PC BIOS的比较

以下从BSP职责、组成、执行过程三个方面分别介绍[3~4]。

1.2 BSP的职责

1.2.1 硬件环境的初始化

处理器和硬件环境的不同决定着VxWorks引导顺序的差异，初始化硬件的步骤一般分为：

（1）在主存储器的特定位置放置一段代码（跳转指令），当上电复位后处理器将立即执行这段代码；

（2）根据HRCW（硬件复位配置字），将处理器设置为某个具体的状态；

（3）初始化存储器并对存储器进行划分；

（4）关闭中断；

（5）将控制权转交给镜像的引导代码；

（6）装载需要的VxWorks段到RAM中；

（7）在开始初始化VxWorks内核之前，确保以CPU为主的硬件处于状态静止。

1.2.2 硬件驱动程序的集成

为支持操作系统访问硬件外设，BSP必须支持设备驱动程序相关的配置管理。主要指以下几个方面：

（1）在BSP里面支持部分驱动程序，其中包括驱动程序所调用的中断服务程序；驱动程序代码涉及到的结构体以及宏等；

（2）BSP需支持硬件驱动程序实现可移植性。比如允许网络设备驱动程序在不同的硬件环境之间移植；

（3）设备的管理和配置，比如：将产品的开发和配置分开。

1.2.3 软件（与硬件相关）的集成

一个好的BSP不仅功能齐全，还需要考虑如下问题：

（1）提供代码编译时的适应性。比如：使用预处理宏，用户可以根据自己的需要来定制BSP系统。例如：

#define INCLUDE_ATA/*包含ATA硬盘驱动程序*/

#define INCLUDE_FD/*包含软盘驱动程序*/

（2）提供执行时的可移植性。比如：提供编译对象模块的可移植性；使用指针访问程序。

1.3 BSP的组成

BSP主要由源文件、head文件、自动化编译文件、派生文件组成，其实现的主干部分为源文件。以下主要介绍源文件。

1.3.1 BSP相关文件

这些文件位于.. argetconfigall目录，它们并不是特定BSP的一部分，而是所有BSP的公共部分。该目录主要由下面几个文件组成：

（1）bootConfig.c。其包含完整的引导ROM外壳任务、一个网络设备初始化表（NETIF），其主要对引导型ROM镜像起初始化和控制作用。该文件定义了usrInit()函数和usrRoot()函数。

（2）bootInit.c。该文件包含引导ROM镜像第二阶段的初始化代码，包括了函数romStart()，该函数的作用是重定位ROM镜像和压缩必要的代码。

（3）usrConfig.c。其包含VxWorks镜像的主要初始化代码。它的初始化功能较为完整，包括了.. argetsrcconfigusrExtra.c文件以及其他提供子系统配置和初始化的文件。

（4）version.c。其提供了VxWorks版本号、构造镜像时的日期和时间，这些信息会在执行VxWorks镜像时显示。

（5）configAll.h。其设置了所有VxWorks镜像的通用设置。

1.3.2 BSP实现文件

这些文件位于.. argetconfigspname目录，包含了系统或硬件相关的BSP文件。其中的函数都需要依据硬件平台进行编写和调试。主要由下面几个文件组成：

（1）rominit.s。该文件包含引导ROM和基于ROM的VxWorks镜像的入口初始化汇编代码。函数romInit()负责实现入口，该函数执行初始化CPU、初始化内存、初始化堆栈指针等。

（2）sysLib.c。该文件包含目标机体系结构、与系统有关的C程序。这些程序实现了上层与硬件的接口，由于这些接口，VxWorks和应用程序的构造与硬件无关。对硬件平台所有外部器件初始化函数sysHwInit()和中断挂载函数sysHwInit2()也在该文件中实现。

（3）sysSerial.c。这是一个可选文件，包含所有的SIO设备串行I/O驱动程序的安装和初始化，包含串口初始化函数sysSerialHwInit()、sysSerialHwInit2()。

（4）systemClk.c。其包含系统时钟处理函数sysClkConnect()、sysClkRateSet()和sysClkEnable()。

（5）IntrInit.c。其包含中断控制器初始化函数IntrInit()。

（6）config.h。其包含了全部头文件与涉及CPU的特殊宏。

（7）makefile。该文件控制使用命令行方式构造镜像。

1.4 BSP执行过程

上一节中介绍了BSP的文件组成以及所包含的函数，执行这些函数，硬件平台实现了从上电到Vx-Works启动完成。下面以ROM型VxWorks镜像启动为例介绍BSP函数的执行过程。

系统上电启动后，首先执行固化在ROM中的romInit()函数，其功能主要是禁止CPU中断，配置SDRAM控制器，设置初始栈指针，然后执行romStart()函数将ROM中VxWorks镜像拷贝到RAM中执行，接着在RAM中首先执行usrInit()函数。usrInit()调用sysHwInit()函数初始化外部硬件设备，调用usrKernelInit()函数初始化并启动内核，调用usrRoot()函数连接系统时钟、初始化并设置I/O系统和安装所有外部设备驱动程序。至此系统启动完成，BSP执行结束。

图2 BSP执行过程中的核心函数调用

在启动过程中，与具体硬件平台相关的函数有romInit()、sysHwInit()以及usrRoot()调用的系统时钟函数。其中，sysHwInit()函数调用所有外部硬件设备的初始化函数。例如：串口初始化函数sysSerialHwInit（）、中断控制器初始化函数IntrInit()、时钟函数。时钟函数包括：时钟驱动挂载函数sysClkConnect()、时钟速率设置函数sysClkRateSet()和时钟使能函数sysClkEnable()。其中，sysClkConnect()函数还调用sysHwInit2()函数安装所有外部设备的中断处理程序，例如：串口中断挂载程序sysSerialHwInit2()。启动完成后所有外部设备驱动开始工作。

2 BSP开发

2.1 硬件平台介绍

PowerPc处理器是Freescale、IBM和苹果电脑的合作结晶。作为一个处理器，PowerPc在指令集、指令执行和处理器内核的设计方面具有很强的优势[5]。MPC8548是基于Freescale（飞思卡尔）的PowerPC架构的PowerQuiccⅢ处理器，其强大的处理能力特别适合于高速低时延的处理。主要参数如下[6]：

路面基层检测合格及模板安装完成后，进行钢筋网安装。先将横筋按设计尺寸布置于底层，再将纵筋布置横筋上方，在此过程中要注意钢筋在板厚方向的高度，预留足够的保护层厚度。钢筋布置完成后进行钢筋连接，纵向钢筋接头采用电弧单面焊接，搭接长度为16cm，焊接接头处应错开布置，接头连线与路面行车方向成45°夹角，纵向钢筋与横向钢筋交叉处采用钢丝绳绑扎。采用φ16钢筋弯拉制做成“Ω”形置于横向钢筋下作为钢筋支架，并采用电焊连接，横向布置间隔约为150cm，纵向布置间隔约为120cm。

最高频率：1.5 GHz；支持内存：最高2 G Byte DDR2 SDRAM；Flash：最高512 Kbyte+64 MByte×2+1 GByte；以太网口：前面板端2个千兆RJ45口；串口：前面板监控串口；PCIexpress：AMC金手指端支持PCIe x4；电源：支持单板外部输入单独12 V/2 A电源和AMC金手指端供电。

采用的硬件平台是围绕MPC8548处理器设计的通信板。如图3，硬件平台的外设有：512 MByte的SDRAM，1 G×16 Bit NAND Flash Memory，RS-232串口，10/100 Mbit/s网口和JTAG调试端口。

图3 硬件平台结构

2.2 BSP函数实现

2.2.1 rominit()函数

该函数在romInit.s中实现，其主要功能是：配置HRCW；配置内存系统；初始化堆栈指针[7]。

（1）配置HRCW。本平台CPU使用的HRCW为0x0AA356B7，CPU读取HRCW后将自身设置为特定状态。MPC8548处理器使用指向FLASH的CS0，上电启动后CS0有效且读/写位宽是16 bit，MPC8548从FLASH的地址0x00、0x08、0x10和0x18共计读取32 bit的HRCW，配置其自身的工作模式。然后在执行一段跳转指令后MPC8548将程序计数器指向FLASH地址0x100（复位异常向量）处执行rominit()函数。因此在rominit.s文件的开始部分通过汇编指令.fill将硬件复位字写到0x00、0x08、0x10和0x18处，剩余空间直到0x100处写0，具体如下：

.fill 8,1,0x0A

.fill 8,1,0xA3

.fill 8,1,0xB7

.fill 224,1,0

rominit：

（2）配置内存系统。当执行到romInit()函数时，romInit()在屏蔽外部中断，关闭高速缓存后开始配置连接FLASH和SDRAM内存的控制器，确定它们的内存地址（分配给FLASH的基地址为0xF0000000）。此时将FLASH映射到地址为0xFC000000的空间，如果不执行一段跳转指令，CPU将按照地址0x0从FLASH中读取指令，造成系统崩溃。

解决方法如下：在romInit函数内部定义一个符号start，让跳转指令跳到这个符号的位置执行，跳转地址=0xF0000000+start-0x100。此时CPU才能以0xFC00000为基地址，从偏移地址（start-0x100）读取指令。

接下来只需完成CS0对应的寄存器配置，以确定FLASH和SDRAM地址空间划分。

2.2.2 sysLib.c文件

sysLib.c是BSP初始化的核心代码，提供了Vx-Works和应用程序之间的板级联系。动态页表和静态页表是两种主要的内存映射模式，这里着重介绍动态页表的配置。

为提高系统的实时性，硬件平台将开启MMU功能。BSP在sysLib.c文件中定义了一个结构体数组sysPhysMemDesc[]来配置MMU的动态页表。sys-PhysMemDesc[]数组中的每个结构体对应着物理内存中一个块单元，结构体定义了物理地址、物理地址映射的虚拟地址(一般情况下与物理地址相同)、该块内存初始化状态信息、掩码信息等。其可包含的映射空间有内存、Flash、ROM、I/O设备等，可以根据系统的需求自行进行配置。部分代码如下[8]：

PHYS_MEM_DESCsysPhysMemDesc[]=

{

{(void*)(ROM_BASE_ADRS+0xF0000000),(void*)(ROM_BASE_ADRS),

ROUND_UP(ROM_SIZE_TOTAL*2,PAGE_SIZE),VM_STATE_MASK_VALID|

VM_STATE_MASK_WRITABLE|VM_STATE_MASK_CACHEABLE,VM_STATE_VALID|

VM_STATE_WRITABLE_NOT|VM_STATE_CACHEABLE_NOT},

…

…

};

上面的代码是对ROM_BASE_ADRS的内存映射，ROM_BASE_ADRS+0Xf0000000是要映射的虚拟地址，ROM_BASE_ADRS是硬件设计时定义的实际物理地址，ROUND_UP(ROM_SIZE_TOTAL*2,PAGE_SIZE)是映射长度，VM_STATE_MASK_VALID|VM_STATE_MASK_WRITABLE|VM_STATE_MASK_CACHEABLE是初始化的地址状态，VM_STATE_VALID|VM_STATE_WRITABLE_NOT|VM_STATE_CACHEABLE_NOT是实际初始化的地址状态。

sysLib.c中包含了与硬件初始化密切相关的函数sysHwInit()和函数sysHwInit2()[9]。

2.2.3 sysHwInit()函数

sysHwInit()函数的功能是初始化系统硬件，该函数包含在sysLib.c文件中。根据本硬件平台开发需求，需要编写中断控制器初始化函数IntrInit()和串口控制器初始化函数sysSerialHwInit()。

（1）IntrInit()函数。该函数位于IntrInit.c文件。根据MPC8548中断控制器的工作原理需要实现以下3个功能：

一是，将中断分离程序挂接到外部异常向量上。PowerPC处理器所有外部中断共享同一个外部异常向量0x500，中断分离程序的作用是识别中断源，然后获得中断向量并调用中断服务程序ISR。

二是，安装钩子函数。系统提供了3个钩子函数：中断连接函数_func_intConnectRtn、中断使能函数_func_intEnableRtn和中断禁止函数_func_intDisableRtn。需根据中断控制器工作原理编写具有上述功能的3个函数，然后指向对应的钩子函数。

三是，禁止所有中断。

（2）sysSerialHwInit()函数。该函数在sysSerial.c文件中实现，负责处理器引脚配置和串口控制器配置。MPC8548处理器外部引脚是复用的，需要分为3步来执行初始化：将串口控制器对应的引脚配置为串口使用；配置串口工作模式及速率；为串口驱动分配收/发缓冲。

2.2.4 sysHwInit2()函数

该函数位于sysLib.c文件，其负责连接系统中断，初始化其它必要的配置[10]。在初步开发时，平台外部设备只使用串口模块，sysHwInit2()函数只需要调用串口中断挂载函数sysSerialHwInit2()，该函数在sysSerial.c文件中实现，实现方法是：根据所使用串口的中断号，调用系统函数intConnect()将中断处理程序注册到系统中断向量表中。

3 调试

3.1 ICE(In-Circuit Emulator)调试法

BSP开发过程中最常用的一种调试方法是ICE调试法，如图4所示。其过程是仿真头插在用户板的CPU位置上，然后在仿真器RAM中或目标机RAM中下载好被调试的VxWorks镜像。ICE调试法的原理为：在具体硬件平台上运行仿真器的CPU来调试软件。

图4 IDE调试法

3.2 调试过程中遇到的几个问题

rominit.s中有少量的初始化操作，这些操作是为载入VxWorks镜像服务的，在能够保证正常载入镜像的情况下要使rominit.s中的初始化操作尽量的精简。实际上绝大部分初始化任务要由sysHwInit()函数来完成。

函数malloc()不能在调试阶段调用。这是由于malloc()属于缓冲区函数，在内存分配的初始化还未完成时调用函数malloc()将导致系统崩溃。前文提到的intConnect()不能够在sysHwInit()中被调用。

4 结束语

文中介绍了VxWorks BSP的组成和功能，并以MPC8548为核心的硬件平台为例详细介绍了BSP的开发过程。虽然针对不同的硬件平台，BSP需要根据具体的硬件细节进行具体的设计，但是各类硬件平台之间还是有一定的共性，故对VxWorks BSP的开发者有一定的借鉴作用。同时，“整体移植，局部修改”的开发方法对开发效率有明显提高。

[1]陈智育，温彦军，陈 琪.VxWorks程序开发实践[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]周启平，张 扬.VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南[M].北京:中国电力出版社，2004.

[3]Wind River.VxWorks kernel programmer's guide 6.4[EB/OL].http//www-ad.fnal.gov/controls/micro_p/manuals/vx-works_kernel_programmers_guide_6.4.pdf.2012-12-15.

[4]Wind River.VxWorks architecture supplement 6.4[EB/OL].http://www-ad.fna1.gov/controls/micro~/manu-als/vxworks-architecture supplemen_6.4.pdf.2012-12-10.

[5]王 齐.Linux PowerPc详解-核心篇[M].北京:机械工业出版社，2007.

[6]Freescale.MPC8548E PowerQUICCTMⅢIntegrated Processor Family Reference Manual[EB/OL].http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/ref_manual/MPC8548ERM.pdf.2012-12-8.

[7]王彦刚，吕遵明，万留进.VxWorks系统的BSP设计与实现[J].计算机系统应用，2011，20(12):91-94.

[8]李 丹.E500 MMU架构研究及VxWorks下的优化方案[J].计算机工程与应用，2010，48(30):56-61.

[9]Wind River.VxWorks architecture supplement 6.4[EB/OL].http://www-ad.fna1.gov/controls/micro~/manuals/vxworks-architecture_supplement_6.4.pdf.2012-12-8.

[10]张 忠，樊留群.VxWorks在S3C2410上的BSP设计[J].微型电脑应用，2005，21(10):16-19.