Windows CE OAL層的結構與開發

 

作者：齊曉靜 王衛東 王 劍

引 言
    Windows CE微軟針對嵌入式領域推出的一款全新的作業系統。之所以說它是一款全新的作業系統，是因為儘管Windows CE的UI非常接近其它的案頭版Windows作業系統，但是它的核心完全是重新寫的，並不是任何一款案頭版Windows的精簡版本。 Windows CE是一種支援多種CPU架構的作業系統，其中包括ARM、x86、MIPS和SHx，極大地減輕了0EM開發過程中移植作業系統的工作量。
    作業系統移植包含兩個層面上的工作：一個層面是CPU級的，另一個層面是板級的。CPU級的移植通常由微軟或晶片製造商來完成；板級移植則是由OEM來完成的。OAL正是OEM完成這一系統移植的工作核心！

1 OAL
    OAL的全稱是OEM Adaption Layer，即原始裝置製造商適配層。從邏輯結構上看，它位於作業系統的核心與硬體之間，是串連系統與硬體的樞紐；從功能上看，OAL頗似案頭機上的BIOS，具有初始化裝置、引導作業系統以及抽象硬體功能等作用。與B10S不同的是，0AL隸屬於作業系統，是作業系統的一部分。從存在方式上，講OAL是一組函數的集合體，這些函數體現出0AL的功能，1所示。

2 最小化的OAL
    OAL層的首要任務是載入核心。OAL層中為核心的啟動作種種鋪墊的函數的集合構成最小OAL層。我們可以由此深入0AL層，2所示。

首先來看一下OS的啟動順序。
    ①CPU執行引導向量，跳轉到硬體初始化代碼，即Startup函數；
    ②在start up函數完成最小硬體環境初始化後跳轉到KernelStart函數(當CPU為x86架構時為Kernel Initial-ize函數)，來對核心進行初始化；
    ③Kernelstart函數調用OEMInitDebugSerial完成對調試串口的初始化，調用0EMInit函數來完成硬體初始化工作以及設定時鐘、中斷，調用OEMGetExtensionDRAM函數來判斷是否還有另外一塊DRAM。
    至此，核心載入完畢。由此可見，OS啟動的重中之重是Startup函數的正確載入。
2.1 Startup
    Startup階段的特點是Kernel還沒有載入起來，調試工作比較困難。StartuP函數的兩大核心任務分別是把CPU初始化到一已知狀態和調用核心初始化函數來初始化核心。以下是Startup函數中通常包含的內容：
    ①把處理器置為監控模式；
    ②禁止CPU的IRQ和FIQ輸入；
    ③禁止記憶體管理單元MMU和指令、資料Cache；
    ④重新整理指令和資料Cache、TLB、清空寫buffr；
    ⑤確定啟動的原因一hard reset，wake from sleep，
    GPIO reset，Watchdog reset，eboot handoff；
    ⑥根據目標板需要配置GPIO，比如串連LED的GPIO；
    ⑦配置記憶體管理器，設定重新整理頻率，使能時鐘；
    ⑧配置中斷控制器；
    ⑨初始化系統時鐘(RTC)為0，使能系統時鐘；
    ⑩設定電源管理寄存器；
    ⑾開啟所有板級時鐘和片內外部時鐘；
    ⑿取得OEMAddressTable的物理基地址並把它存在r0中；
    ⒀跳轉到KernelStart。
    Bootloader和OAL中均包含Startup函數。它的功能大致相同，都是要初始化最小硬體環境。Bootloader是在為自己的執行準備硬體環境，OAL則是為kernel的執行準備硬體環境。由於這兩種硬體環境要求基本相同，所以它們的代碼也有很大部分可以相互借鑒。但應該明白，Bootloader與OAL在物理上是獨立的，它們並不是同一段代碼。而且，如果可以確定這一硬體部分Bootloader已經初始化過，則在OAL中不必重複。當然，前提是每次載入都要經過Bootloader這一環節。最典型的例子就是x86 OAL中的Startup，見常式：
Naked_Startup()
{_asm
{
cli
jmp KernelInitialize
}
}
S t a r t u P執行完畢後，跳轉至K e r n e 1 S t a r t/Kemellnitialize(x86下)。
2.2 Kernel Start
    Kernel Start主要完成核心的最小初始化並且通過調用OEMInit函數來完成板級硬體初始化。以下是ARM核心初始化過程：
    ① 初始化一級頁表；
    ②使能MMU和cache；
    ③為每種工作模式使能棧(stack)；
    ④重新置放核心；
    ⑤執行串口調試函數；
    ⑥調用OEMInit；
    ⑦初始化記憶體；
    ⑧執行其它初始化。
    KernelStart中用到的三個函數OEMInit ()、OEMInitDebugSerial()和OEMGetExtensionDRAM()中，OEMInit()硬體相關性較大，也最重要。(1)OEMlnit() 0EMInit的最小任務是初始化其它硬體和註冊系統時鐘。通常OEMInit應該完成以下工作。
    ①通過設定以下值來設定中斷映射表一SYSINTR→IRQ和IRQ→SYSINTR。
    ②在中斷映射表中設定靜態中斷映射。
    ③設定KITL，但在最小化的OAL層中通常不包括KITL。
    ④用Init Clock配置系統定時器、系統時鐘、時鐘。
    ⑤確定系統時鐘的中斷源。
    ⑥初始化核心程式的時間粒度為1ms。
    ⑦配置中斷控制器或可程式化插斷控制器(PICS)。
    ⑧提供調試用LED指示燈。
    ⑨置pWriteDedugLED=OEMWriteDedugLED。
    ⑩調用HookInterrupt函數來註冊插斷服務常式ISRs，以下樣本說明如何處理TIMERISR硬體中斷5的插斷服務常式：
void OEMInit(void)
{...
HookInterrupt(5，TIMERISR)；//註冊定時器中斷
…
}
    ⑾ 清除中斷掩碼，防止初始化核心時有中斷申請。
(2)串口調試函數
    有限的調試手段是0S移植員經常遇到的難題。串口調試函數雖然不像乙太網路口調試函數那樣功能強大，但仍然要比LED指示燈或數位管要直觀得多，是調試OAL層代碼不可或缺的一組工具。這個函數組由四個函數組成，分別是0 E M I n i t D e b u g S e r i a l()、OEMReadDebugByte()、OEMWriteDebugByte()和OEMWriteDebugString()。
    ◇OEMInitDebugSerial()用於配置串口；
    ◇OEMReadDebugByte0和OEMWriteDebugByte()用於 向串口讀寫一個位元組；
    ◇OEMWriteDebugString()用於向串口寫一個調試用字串。
    KernelStart中調用的是OEMInitDebugSerial()，完成串口初始化，為串口調試工作作好準備。
(3)OEMGetExtensionDRAM()
    在最簡最小化OAL層函數中，OEMGetExtensionDRAM()並不是一個必需的函數。OEMGetExtensionDRAM()的主要功能是查詢是否存在另外一片DRAM．如果目標板上只有一片DRAM，則該函數返回FALSE。但在KernelStart通常都包含此函數。
至此，最小的OAL層已經完畢，kernel的最基本的功能可以正常使用。骨架搭起，第一階段的任務告一段落，但是很多非常重要的功能還不完整，還不能做到物盡其用。於是需要進一步加強OAL層的功能。這種做法也是OAL層開發通常使用的方法。先完成準系統，在準系統確保正確無誤後，逐漸加入其它功能。循序漸進，即使出錯也很容易找到出錯的地方，便於排查。

3 加強OAL
    第二階段主要目的是充分利用板上硬體資源和加強調試手段。主要包括中斷、KITL、乙太網路口調試函數和OEMIOControl四方面內容。我們把包含這四方面內容的OAL層稱為加強OAL。
3.1 中 斷
    外設硬體與CPU的資料交換基本上是非同步進行的、最常用的中斷形式。CE的中斷處理順序3所示。由圖3可知，CE的中斷實際上是由兩部分ISR和IST組成的。其中IST包含在驅動程式中，而ISR包含在OAL層中。所以，要想支援一個硬體，首先必須從0AL層為其作好準備。這個準備用兩步完成。  
 

①建立中斷標識符。下面代碼節選自SAMSUNG2410的oalintr.h。中斷映射表通常位於<CEVersion>/Platform/<platform name>/INC。
#define SYSINTR USB (SYSlNTR FIRMWARE+11)
#define SYSINTR USBD (SYSlNTR_FIRMWARE+12)
    ② 建立並註冊ISR。ISR的主要任務是返回中斷標識符。ISR代碼通常位於<CE Version>/Platform/<Platformname>/KERNEL/HAL下。
下面代碼節選自SAMSUNG2410的armint.c。
if(IntPendVal==INTSRC_ADC){
s2410INT.>rlNTSUBMSKl=BIT_SUB_TC；
s2410INT_>rINTMSK |=BIT_ADC；
s2410INT_>rSRCPND |=BIT_ADC；
s2410INT_>rINTPND =BIT_ADC；
return(SYSINTR_TOUCH)；
}
    在中斷處理中，還有三個函數也起著至關重要的作用。它是OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()和OEMInterruptDone()。
    ◇OEMInterruptEnable()用於執行允許裝置產生中斷的硬體操作；
    ◇OEMInterruptDisable()禁止裝置發出中斷申請；
    ◇OEMInterruptDone()中斷處理結束。
3.2 乙太網路口調試函數
    乙太網路口調試函數與串口調試函數相比，具有更快的速度。
    ◇OEMEthInit 初始化乙太網路調試口；
    ◇OEMEthEnableInts開乙太網路適配器中斷；
    ◇OEMEthDisableInts關乙太網路適配器中斷；
    ◇OEMEthISR 乙太網路適配器插斷服務常式；
    ◇OEMEthGetFrame從乙太網路調試口收資料；
    ◇OEMEthSendFrame從乙太網路調試口發資料；
    ◇OEMEthQueryClientlnfo擷取平台相關資訊；
    ◇OEMEthGetSecs 返回從某一特定時間開始的計時值。本函數用於處理逾時。
3.3 KITL
    KITL全稱為Kernel Independent TransportLayer。它的主要用途是提供更方便的調試手段，4所示。KITL出現在Windows CE．net之後，把軟體傳輸協議與硬體傳輸層隔離開。KITL使得開發人員不必瞭解硬體傳輸層如何與軟體協議層介面。
    以下是應該在OEMInit函數中加入的KITL初始化代碼。
    ①初始化所有PCI橋和裝置，枚舉它們並且給它們分配資源，然後使能，使他們能正常工作。註：此條適於有KITL網路介面卡(NIC)和NIC橋的情況。
    ② 對相關匯流排進行初始化，使得CPU能夠正確識別NIC。
    ③通過調用KitlInit函數來初始化KITL。這部分代碼可照其它平台，代碼檔案為Halkitl.c。
    ④執行0EMKitlInit函數，進行相關的硬體初始化工作。搜尋是否存在KITL 網口、串口或並口串連。
    ⑤執行完OEMKitlInit後，把Kitl.1ib和Kitleth.1ib包含入平台資源檔/<Platform>/Kernel/Buildexe/Kernkitl，以便把KITL打包進核心。有關KITL的其它函數請參考微軟MSDN。

3.4 OEMIOControl
    OEMIOContr01在OAL層是一個非常重要的函數，應用程式是通過調用KernelIoContrOI來調用OEMl0Control的。核心對許多硬體平台資訊的獲得都要通過對它的調用來實現。此外，0EMl0Contr0I還是使用者模式應用代碼到核心模式OAL代碼之間的轉換入口。這就是說，用在使用者模式下通過調用0EMl0Control可以獲得核心模式的權力。0EMIOControl函數原型如下：
BOOL OEMIoControl(......)
{switch(dwloControlCode)
{caseIOCTL_HAL_SET_DEVICE_INFO：
case10CTL_HAL_REBOOT：
……
default：
return FALSE；
}
return TRUE：
}
    硬體資源利用和調試手段的加強大大豐富了OAL的功能，但是嵌入式系統通常會面臨的功耗問題和由於網路功能的日益普及而帶來的安全性問題並沒有涉及到。

4 完整OAL
    完整OAL是指在加強OAL的基礎上擴充了功耗和安全性驗證的OAL。所以這一階段的主要工作集中在電源管理與模組認證兩部分。
4.1 電源管理
    OAL層的電源管理與驅動程式的電源管理頗為不同。一種裝置驅動程式僅負責某種特定的裝置，如果可能，則把這種裝置置為省電模式，當形勢需要時再把裝置置為滿載荷模式。OAL層的電源管理則是負責整個系統功耗管理。例如，調度器在下一個25ms沒有線程要運行時，系統將被置為省電模式。
    電源管理函數響應關閉系統和使系統閒置系統調用。這些系統調用可能是軟觸發也可能是硬觸發。以下兩個函數是須在OAL層中實現的電源管理函數：
    ◇0EMIdle一一把裝置置為空白閑狀態，此時系統處於低功耗狀態；
    ◇0EMPoweroff一一把裝置置為斷電狀態；
    ◇OEMPowerOff和OEMIdle的程式碼可在如下目錄中參照常式％_WINCER00T％/Platform/<Platform>/Kerlael/Hal。
4.2 模組認證
    自從Windows CE 3.0以來，在RAM中載入和運行模組前，核心可以對其進行授權核查。對於在ROM中啟動並執行模組則不需要此過程。模組認證實際上是在被載入的模組後添加一數位簽章，只有當系統用公開密鑰驗證數位簽章通過後，該模組才可以被載入到RAM中運行。這樣系統可以阻止或限制一些模組的運行，達到系統安全的目的。
    要達到以上目的須完成以下兩個函數：
    ◇OEMCertifyModuleInit，用於初始化驗證過程，每驗 證一個模組調用一次；
    ◇OEMCertifyM0dule，用於驗證數位簽章。
    為了支援這兩個函數，在OEMInit函數中須分配兩個全域變數pOEMLoadInit和p0EMLoadModule，用來存放這兩個函數的地址。

結語
    Windows CE的OAL層是一個複雜的函數集。它的複雜性不但體現在包含函數數目繁多，而且體現在很多函數的硬體相關性非常大。本文並沒有詳細講解每個OAL層函數，而是就一些通常會遇到的OAL層函數進行層層劃分；在說明OAL層的功能和結構的同時，提出開發OAL的一種方法和思路。