嵌入式即時作業系統VxWorks入門 (收藏)

嵌入式即時作業系統VxWorks入門

作者： 宋寶華 出處： 天極開發

嵌入式即時作業系統VxWorks入門――開發環境構建

VxWorks作業系統是美國WindRiver公司於1983年設計開發的一種嵌入式即時作業系統(RTOS)，它以其良好的可靠性和卓越的即時性被廣泛地應用在通訊、軍事、航空、航天等高精尖技術及即時性要求極高的領域中，如衛星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。在美國的 F-16、FA-18 戰鬥機、B-2隱形轟炸機和愛國者飛彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用到了VxWorks。VxWorks原先對中國區禁止銷售，自解禁以來，在我們的軍事、通訊、工業控制等領域得到了非常廣泛的應用。

VxWorks的即時性體現在能於限定的時間內執行完所規定的功能，並能在限定的時間內對外部的非同步事件作出響應。因此，即時性系統主要應用於過程式控制制、資料擷取、通訊、多媒體資訊處理等對時間敏感的場合。本文將對這個作業系統進行一個入門級的、全面的介紹。為力求展示其全貌，全文共分五章：

(1)搭建VxWorks嵌入式開發環境;

(2)簡要介紹VxWorks的基本組成，核心的基本結構;

(3)概述VxWorks板級支援包(BSP)的概念及VxWorks的啟動過程;

(4)介紹VxWorks裝置驅動的架構及編寫方法;

(5)指明VxWorks應用開發的思路，任務調度及任務同步、中斷與任務的同步機制。

以上各章中將貫穿著許多執行個體，由於本文定位於入門級教程，所以文中的執行個體都將十分簡單。下面我們進入第一章內容的講解。

1，嵌入式系統的調試方法一般為通過PC(宿主機)上的整合式開發環境交叉編譯針對特定電路板(目標機)的程式，然後將程式通過目標板的JTAG、串口或網口等途徑下載到目標板上運行。因此，為了構造一個嵌入式系統的學習環境，擁有一塊包含CPU、儲存空間及I/O電路(構造電腦系統)的目標電路板往往是必要的。雖然許多整合式開發環境附帶類比軟體，但僅限於指令集的類比，均無法類比物理的目標機硬體平台，因而在其上只能進行應用程式的象徵性類比開發。但是，並非所有人都能擁有一塊物理的電路板。在這種情況下，我們如何構造一個類比的開發環境，其學習效果就如同擁有完全真實的電路板一樣呢?本文試圖解答此問題，主體內容包括四個方面：

(1) 利用VMware等軟體類比真實的目標機;

(2) 構建VMware虛擬PC上VxWorks BSP，建立Bootrom和OS映像;

(3) 修改Tornado相關設定，串連宿主機與目標機，建立調試通道;

(4) 寫一個簡單的應用程式並下載到目標系統運行。

圖1 嵌入式系統的調試

本章工作的最終目標為：

(1)VxWorks在VMware啟動成功並順利運行，2;

圖2 在VMware中啟動並執行VxWorks
(2)可在Tornado上針對目標板編譯器並進行調試，3。
圖3 與目標機建立調試通道的Tornado

1. 類比目標機

PC也具有目標機的所有特點，實際上，我們可以把PC作為嵌入式系統的目標機，從而構造4所示的開發模型：

圖4 PC作為目標機

很遺憾，這種方法實際上非常麻煩，同時開動兩台PC進行調試將使你和你的室友飽受折磨，既然他如此地熱切於遊戲和上網。因此，我們可以藉助VMware來在本機上虛擬出另一PC。

VMware的確是天才的作品!在同一PC上，利用VMware幾乎可以安裝所有的作業系統，而且作業系統之間的切換不需要重新啟動電腦。VM的意義是Virtual Machine，即虛擬出一個邏輯的電腦，它可以提供基於Intel CPU的虛擬PC系統內容，包括CPU、記憶體、BIOS、硬碟和其他外圍硬體裝置。

下面我們講解用VMware來建立一台虛擬PC的步驟：

(1)下載並安裝VMware;

(2)使用VMware嚮導建立一個針對VxWorks的虛擬機器;

此步驟中注意在作業系統中選擇“other”，5：

由於目標機最終通過磁碟片啟動，因此要求你的電腦具有軟碟機。很遺憾，當年日常使用的磁碟片如今成了古董，很少再有電腦配備軟碟機。因此，我們再來製造一個假冒偽劣產品，虛擬一個軟碟機。又一個天才的工具軟體RamDiskNT為我們提供了這一便利，圖6示範了用RamDiskNT虛擬一個1.44M磁碟片的方法。

僅僅虛擬一個軟碟機是不夠的，把這個軟碟機添加到我們建立的虛擬機器中才算修成正果，圖7示範了添加軟碟機後的虛擬機器硬體設定。
圖7 包含軟碟機的虛擬機器

2. 構造BSP

2.1下載和編譯網卡驅動

VMware為運行於其上的作業系統提供虛擬網卡支援，該網卡類型即為AMD的PC-NET，在Tornado開發包中已經包含了該類型網卡的驅動程式，但經過測試，在VMware環境中該驅動無法正常工作，所以可從AMD的網站上下載最新的驅動程式。下載得到的是一個可執行檔安裝程式，運行該程式將得到一個壓縮包和一個協助檔案，按照該協助的要求，將壓縮包直接釋放到Tornado目錄下。如果提示是否允許覆蓋檔案，則選擇允許。

此後按如下步驟完成驅動程式的編譯和替換：

(1)開啟一個控制台視窗，運行批次程式：

C:/tornado2.2/host/x86-win32/bin/torVars.bat;

該批次檔用於設定環境變數，其內容為：

rem Command line build environments

set WIND_HOST_TYPE=x86-win32

set WIND_BASE=C:/Tornado2.2

set PATH=%WIND_BASE%/host/%WIND_HOST_TYPE%/bin;%PATH%

如果沒有設定成功，可以手工設定這些環境變數。

(2)定位到C:/tornado2.2/target/src/drv/end目錄，運行：

make CPU=PENTIUM tool=gnu ln97xend.o

(3)定位到C:/tornado2.2/target/lib/pentium/PENTIUM/common目錄，並將上一步產生的檔案ln97xend.o複製到此目錄下。備份此目錄下的檔案libdrv.a;

(4)運行命令arpentium -d libdrv.a ln97xEnd.o，刪除libdrv.a中原有的ln97xEnd模組;

(5)運行命令arpentium -ra iOlicomEnd.o libdrv.a ln97xEnd.o將我們剛剛建立的新ln97xEnd模組添加進去。

2.2修改設定檔

我們要修改編譯VxWorks的配置標頭檔Config.h中定義的一些參數，使編譯出來的系統引導程式和VxWorks的映象符合我們的要求;同時還要修改sysLn97xEnd.c這個檔案，以使系統的網路功能正常運行。

(1)定位到目錄C:/tornado2.2/target/config/pcPentium並開啟該目錄下Config.h檔案;

(2)尋找到定義DEFAULT_BOOT_LINE宏的地方，修改預先處理條件CPU == PENTIUM分支下的定義如下：

#define DEFAULT_BOOT_LINE /

"lnPci(0,0)your_host_name:e://vxWorks h=192.168.80.100 e=192.168.80.80 u=target pw=target tn=target"

其中：

• lnPci(0,0)指定了使用第0個網卡和第0個處理器，lnPci這個標識會因為使用的驅動程式不同而有所不同，但這裡用lnPci就可以了;
• host指定你的主機的名字，使用host就可以;
• e://vxWorks指定了VxWorks映象下載的完整路徑(後面會有說明);
• h=192.168.80.169是宿主機的IP地址，可以根據實際情況修改;
• e=192.168.80.254是目標機的IP地址，可以根據實際情況修改;
• u=target指定了FTP伺服器的使用者名稱，這個FTP就是用來下載VxWorks映象的;
• pw=target是FTP伺服器與使用者名稱target對應的密碼;
• tn=target指定目標機的名字，任意指定即可。

(3)指定網路卡驅動程式

首先定位到“Network driver options”這段文字，保證INCLUDE_END和INCLUDE_LN_97X_END這兩個宏處於定義狀態(define)，其他的宏都處於未定義狀態(undef)，即：

以下是引用片段：
/* Network driver options */
#define INCLUDE_END /* Enhanced Network Driver Support */
#undef INCLUDE_DEC21X40_END /* (END) DEC 21x4x PCI interface */
#undef INCLUDE_EL_3C90X_END /* (END) 3Com Fast EtherLink XL PCI */
#undef INCLUDE_ELT_3C509_END /* (END) 3Com EtherLink III interface */
#undef INCLUDE_ENE_END /* (END) Eagle/Novell NE2000 interface */
#undef INCLUDE_FEI_END /* (END) Intel 8255[7/8/9] PCI interface */
#undef INCLUDE_GEI8254X_END /* (END) Intel 82543/82544 PCI interface */
#define INCLUDE_LN_97X_END /* (END) AMD 79C97x PCI interface */
#undef INCLUDE_ULTRA_END /* (END) SMC Elite16 Ultra interface */
#undef INCLUDE_BSD /* BSD / Netif Driver Support (Deprecated) */
#undef INCLUDE_EEX /* (BSD) Intel EtherExpress interface */
#undef INCLUDE_EEX32 /* (BSD) Intel EtherExpress flash 32 */
#undef INCLUDE_ELC /* (BSD) SMC Elite16 interface */
#undef INCLUDE_ESMC /* (BSD) SMC 91c9x Ethernet interface */
(4)包含PC_CONSOLE

預設情況下，VxWorks系統是不接受外部輸入裝置(如鍵盤)的輸入，也不向外部輸出裝置(如顯示器)輸出資料。為了便於調試，我們必須改變它的這種預設狀態，包含對PC控制台的支援。尋找定位宏INCLUDE_PC_CONSOLE，保證其處於定義狀態(define)即可，即：

以下是引用片段：
#define INCLUDE_PC_CONSOLE /* PC keyboard and VGA console */
#ifdef INCLUDE_PC_CONSOLE
# define PC_CONSOLE (0) /* console number */
# define N_VIRTUAL_CONSOLES (2) /* shell / application */
#endif /* INCLUDE_PC_CONSOLE */
(5)修改sysLn97xEnd.c

開啟C:/tornado2.2/target/config/pcPentium目錄下的sysLn97xEnd.c檔案，先定位到“memory-mapped IO base”這段文字，然後將其前面的參數由pciRsrc[endUnit].bar[1]修改為NONE，儲存即可，即：

以下是引用片段：
sprintf (paramStr, paramTemplate,
endUnit, /* END unit number */
NONE, /* memory-mapped IO base */
pciRsrc[endUnit].bar[0], /* IO address space base */
PCI2DRAM_BASE_ADRS, /* host PCI mem. base */
pciRsrc[endUnit].irqvec, /* IRQ vector */
pciRsrc[endUnit].irq, /* IRQ number */
LN97X_CSR3_VALUE, /* csr3 register value */
LN97X_OFFS_VALUE, /* offset */
LN97X_RSVD_FLAGS, /* flags (reserved) */
&ln97xStrDesc[typeIdx] /* device description */
);
2.3 編譯Bootrom和VxWorks映像

編譯Bootrom

開啟Tornado開發工具，在Build菜單下選擇Build Boot ROM，選擇BSP為pcPentium，image類型為bootrom，工具為gnu，8。點擊OK，Bootrom就會編譯。

編譯VxWorks映像

編譯產生bootrom後，還要建立一個VxWorks映象(image)，也就是VxWorks作業系統本身的代碼，步驟為：

(1) 建立一個“bootable VxWorks image”的工程，BSP 選擇pentium;

(2) 選擇需要的VxWorks組件

10，在這個例子中我們需要包括兩個重要的組件：Telnet server 和 Target shell。前者使我們可以通過Telnet協議登入到VxWorks作業系統中;後者則可以讓我們通過命令列控制VxWorks系統。另外，需要把所有C++相關的選項都包含進去。

完成選擇後，即可開始編譯器。到此我們已經產生了VxWorks的系統引導程式和運行時的代碼映象。在每次修改完系統的配置資訊(如：config.h)後，都要重新建立一個工程來編譯VxWorks映象。將產生的名為“vxworks”的檔案複製到D:/下。這個路徑是由上面我們所設定的DEFAULT_BOOT_LINE宏中的路徑參數決定的，必須保持二者一致。

2.4 建立引導磁碟片

由於目標機從磁碟片啟動，我們需要製作VxWorks引導磁碟，用於引導VxWorks作業系統映象。定位到C:/tornado2.2/target/config/pcPentium目錄，插入已經格式化好的磁碟片，運行：

mkboot a: bootrom

該命令將在磁碟片上建立VxWorks系統引導分區，並將引導程式複製到磁碟片上。

3. 建立調試環境

3.1配置FTP伺服器

宿主機上的FTP伺服器用於在系統成功引導後，下載VxWorks的運行時映象，最好使用Tornado開發環境內建的FTP服務軟體。

11，開啟Tornado FTP Server，選擇“Security”菜單下的“Users/Rights”子功能表，建立User Name為“target”，修改“Home Directory”為“e:/”(即DEFAULT_BOOT_LINE參數中所指定VxWorks映像目錄)，修改使用者名稱為“target”，對應密碼為“target”，點擊“Done”按鈕完成修改，FTP服務就啟動了。

為了便於觀察引導程式是否從FTP上下載了VxWorks映像，最好開啟FTP Server的日誌功能。選擇“Logging”菜單下的“Logging Options”子功能表，其中除了“Winsock Calls”外，讓其他選項全都處於開啟狀態。保持FTP Server視窗處於開啟狀態，即保證FTP伺服器處於運行狀態。

虛擬機器從磁碟片啟動，接下來會下載伺服器上的e:/vxworks映像，伺服器的FTP會有相關的log，12：

圖12 FTP伺服器

3.2 配置target server

13，開啟您的Tornado開發環境，選擇“Tools->Target Server->Configure”菜單，在“Description”中任意填寫一個名字，這裡是“net00”;在“Available Back”中選擇“wdbrpc”，並在下面的IP地址框中填寫目標機的IP地址，這裡是“192.168.80.80”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定);將“Target Server Properties”下拉框更改至“Core File and Symbols”，並在“File Path”一項中選擇您的映象的完整路徑，這裡是“D:/VxWorks”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定)。

圖13 配置Target Server

完成以上兩項配置，如果目標機已經啟動，點擊“Launch”按鈕，就可以啟動Target Server了。

再回到Tornado開發環境，在工具條上的Target Server下拉框列表中選擇“192.168.80.80@host”。這時您會發現工具條中一些原先處於“禁用”狀態的工具按鈕，現在都已經處於“啟用”狀態了。

試一試，我們開啟TShell，並運行“i”命令察看目標機上當前啟動並執行任務，效果14：
圖14 在TShell中運行命令