標(biāo)題：基于MPC860/VxWorks的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
Research on the Developing of Embedded
Abstract: The article introduces the characters of embedded processor MPC860 and embedded real-time operation system VxWorks and describes the process of embedded system development based on MPC860/ VxWorks which uses BDM to write bootrom file, uses FIP to download VxWorks image and uses Tornado integrated developing circumstance to download and debug applying program.
Key Words: MPC860, VxWorks, Tornado, embedded system
摘 要：本文介紹了嵌入式處理器MPC860與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的特點(diǎn)，描述了基于MPC860/ VxWorks嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程：使用BDM調(diào)試器燒寫(xiě)bootrom文件，使用FTP下載vxworks內(nèi)核鏡像，使用Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下載與調(diào)試應(yīng)用程序。
關(guān)鍵字： MPC860；VxWorks；Tornado；嵌入式系統(tǒng)
1 引言
摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPC系列CPU基于PowerPCTM結(jié)構(gòu)，它由三個(gè)模塊組成：即PowerPCTM內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元（SIU）及通信處理模塊（CPM）[1]。三個(gè)模塊均采用32 位內(nèi)部總線(xiàn)。主處理器是PowerPCTM內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存管理，具有指令和數(shù)據(jù)Cache。系統(tǒng)接口單元中，存儲(chǔ)器控制單元可支持多種高性能的存儲(chǔ)器，包括SDRAM和Flash。CPM是一個(gè)RSIC處理器，具有串行通信控制器、波特率發(fā)生器等，支持多種協(xié)議的命令集，可以配置成多種通信處理模式。
VxWorks是一種實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)，具有高性能的內(nèi)核、良好的持續(xù)發(fā)展能力、以及友好的功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使該系統(tǒng)越來(lái)越被用戶(hù)認(rèn)可。
目前，基于MPC860/VxWorks系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此，本文對(duì)基于MPC860/VxWorks系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的一般流程進(jìn)行了研究。
2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)
2.1 開(kāi)發(fā)方式介紹
進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有多種方式，常用的方式有兩種：
（1）先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，然后通過(guò)仿真器在目標(biāo)板上調(diào)試程序，如單片機(jī)常用的開(kāi)發(fā)方法；或者在主機(jī)上編寫(xiě)完用戶(hù)程序，將其直接編譯入內(nèi)核，整體下載入目標(biāo)板，通過(guò)主機(jī)上的交叉調(diào)試器對(duì)目標(biāo)機(jī)上的程序進(jìn)行調(diào)試，如嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。
（2）軟硬件同時(shí)開(kāi)發(fā)，通常一些嵌入式操作系統(tǒng)都有一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括目標(biāo)機(jī)仿真器，可以在開(kāi)發(fā)硬件的同時(shí)，在仿真器上開(kāi)發(fā)調(diào)試應(yīng)用程序，最后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。
第二種方式開(kāi)發(fā)時(shí)間短，但不夠直觀(guān)，容易出錯(cuò)，即使仿真成功，但在下載到目標(biāo)板后，通常還需要調(diào)試排錯(cuò)。在有硬件環(huán)境的情況下，通常采用第一種方式，尤其是開(kāi)發(fā)需要對(duì)硬件進(jìn)行直接操作的底層驅(qū)動(dòng)程序。
這里我們?cè)O(shè)計(jì)一款基于MPC860的嵌入式硬件環(huán)境，它同時(shí)具有幾種通信接口：BDM接口、串口和網(wǎng)口。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用第一種開(kāi)發(fā)方式，軟件開(kāi)發(fā)流程主要包括：引導(dǎo)程序的燒寫(xiě)、下載vxworks鏡像和應(yīng)用程序下載調(diào)試等幾個(gè)主要方面。
2.2 Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
Tornado是嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域里最新一代的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，提供了高效明晰的圖形化的實(shí)時(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它包括一套完整的面向嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)測(cè)工具[2]。在Tornado II中，包括高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks、原代碼編輯器、C/C++編譯器、高性能的調(diào)試器、圖形化的瀏覽器，集成的模擬器等工具和組件。
最主要的特點(diǎn)是：Tornado支持動(dòng)態(tài)鏈接和加載，允許開(kāi)發(fā)者增量式地加載目標(biāo)模塊到目標(biāo)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)鏈接和加載目標(biāo)模塊的能力作為T(mén)ornado結(jié)構(gòu)的核心，使開(kāi)發(fā)者避免了在宿主機(jī)上鏈接應(yīng)用到內(nèi)核，然后再下載整個(gè)可執(zhí)行體到一個(gè)靜態(tài)環(huán)境的這樣通常采用的步驟。這樣，就大大地縮短了每個(gè)編輯—測(cè)試—調(diào)試的周期。
Tornado II工具提供一個(gè)高度可視化和自動(dòng)化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，加快了基于VxWorks的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
3 開(kāi)發(fā)方案
3.1 系統(tǒng)引導(dǎo)程序編程與bootrom燒寫(xiě)
（1）系統(tǒng)引導(dǎo)程序編程
目標(biāo)系統(tǒng)啟動(dòng)工作首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)不同的CPU，系統(tǒng)初始化的基本步驟是類(lèi)似的，主要步驟如下：
啟動(dòng)；
禁止中斷；
放boot type（引導(dǎo)類(lèi)型）到堆棧；
清空指令和數(shù)據(jù)緩存。
VxWorks 系統(tǒng)的 PowerPC BSP系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，處理器是從romInit()函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，這是romInit.s 中的第一段程序。在romInit()函數(shù)中必須完成以上功能，這些功能程序通常使用匯編語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)。在romInit()程序中開(kāi)始執(zhí)行C程序之前必須盡可能少的加載設(shè)備。引導(dǎo)程序結(jié)束時(shí)，得到C程序romStart()在ROM中的地址，保證romInit執(zhí)行結(jié)束后，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行romStart()，將文本和數(shù)據(jù)段從ROM復(fù)制到RAM中。
在系統(tǒng)初始化程序段中，可加入串口初始化程序和驅(qū)動(dòng)程序，使系統(tǒng)引導(dǎo)結(jié)束后可支持使用串口傳輸命令和信息。加入下載命令程序段，以便于下載VxWorks內(nèi)核鏡像文件。
（2）bootrom燒寫(xiě)
bootrom燒寫(xiě)方式有多種，可以使用編程器編程，但對(duì)于在線(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試，為方便修改，現(xiàn)在使用較多的是JTAG 調(diào)試器和BDM調(diào)試器。我們的系統(tǒng)采用的是MPC系列的CPU MPC860，它提供有BDM接口。因此可以很方便的使用BDM 調(diào)試工具編程。
MPC BDM調(diào)試工具通過(guò)宿主機(jī)的打印口與MPC BDM接口電纜相連，然后加到目標(biāo)板的BDM接口上。連接BDM和目標(biāo)板的電源，（此時(shí)也可以將串口線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)連接到主機(jī)上）。在燒寫(xiě)程序之前，將以上編寫(xiě)的程序編譯成二進(jìn)制目標(biāo)代碼拷貝到c:\sds74\cmd\init下。
打開(kāi)SDS74調(diào)試軟件，首先要下載燒寫(xiě)boot的文件，然后執(zhí)行run/go命令，大約需要幾分鐘，boot燒寫(xiě)完成。
將boot燒好后，拔掉bdm和目標(biāo)板的電源以及bdm電纜，然后再插上目標(biāo)板的電源，boot將運(yùn)行，正常時(shí)會(huì)在主機(jī)的串口超級(jí)終端顯示如下信息：BOOT>，此時(shí)可以說(shuō)boot燒寫(xiě)成功。
3.2下載和運(yùn)行VxWorks內(nèi)核鏡像
在可引導(dǎo)的MPC860嵌入式平臺(tái)上，使用串口和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行BSP和應(yīng)用程序調(diào)試。相對(duì)于使用串口傳輸數(shù)據(jù)，使用網(wǎng)絡(luò)傳輸具有速度快，因此使用串口進(jìn)行發(fā)送命令和返回信息，使用網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)[6]（如圖1）。
主機(jī) 目標(biāo)機(jī)
WindRiver公司提供了很多基于不同硬件平臺(tái)的典型的板級(jí)支持包BSP。因此，開(kāi)發(fā)基于VxWorks的實(shí)用板級(jí)支持包是盡量獲得一個(gè)與目標(biāo)板硬件環(huán)境相近的參考板級(jí)支持包和相關(guān)代碼模板，再根據(jù)目標(biāo)板硬件環(huán)境，完成板級(jí)支持包包含的驅(qū)動(dòng)程序及設(shè)備初始化，從而完成板級(jí)支持包的開(kāi)發(fā)[4]。
啟動(dòng)Tornado II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用工程向?qū)?chuàng)建一個(gè)可啟動(dòng)工程（bootable VxWorks image）項(xiàng)目，選擇基于ads860的BSP。在這個(gè)工程項(xiàng)目里可以進(jìn)行BSP的基本配置、VxWorks的基本配置、網(wǎng)卡配置等，結(jié)合實(shí)際電路和應(yīng)用進(jìn)行修改，創(chuàng)建用戶(hù)自己的BSP以支持特定硬件。前述bootrom程序也可由此生成。在此階段可以借助WDB調(diào)試代理和Tornado工具輔助開(kāi)發(fā)，也可以選擇在線(xiàn)仿真器ICE輔助開(kāi)發(fā)。
BSP 調(diào)試完成，編譯此工程項(xiàng)目為一個(gè)VxWorks內(nèi)核鏡像文件*.img，在以后的應(yīng)用程序調(diào)試過(guò)程中可通過(guò)Tornado的一個(gè)部件 ftp server下載。下載方法如下：
首先連接主機(jī)與目標(biāo)板的網(wǎng)線(xiàn)和串口線(xiàn)，目標(biāo)板上電后，在超級(jí)終端窗口3秒以?xún)?nèi)按回車(chē)鍵進(jìn)入boot shell；否則，目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入自動(dòng)尋找并運(yùn)行程序狀態(tài)。
此時(shí)啟動(dòng)和配置ftp server，選擇Security菜單中的user/rights命令，添加一個(gè)用戶(hù)名如target，密碼target，設(shè)置主目錄為C:\；然后點(diǎn)擊Done。ftp server配置完成。
現(xiàn)在需要設(shè)置主機(jī)ip地址。將主機(jī)ip設(shè)為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。將調(diào)試好的VxWorks鏡像文件*.img拷貝到C:\。
最后，在主機(jī)的串口超級(jí)終端中輸入設(shè)置好的下載命令@，目標(biāo)板開(kāi)始從主機(jī)的ftp server下載*.img（vxworks的ram鏡像）。
下載完成，*.img文件自動(dòng)運(yùn)行，在超級(jí)終端窗口顯示vxworks鏡像在目標(biāo)板啟動(dòng)成功的信息，此時(shí)vxworks內(nèi)核已經(jīng)成功裝載到目標(biāo)板，可以同主機(jī)的tornado（vxworks的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）進(jìn)行連接了。
3.3 在tornado中編寫(xiě)和運(yùn)行應(yīng)用程序
當(dāng)上述環(huán)境配置成功后就可以進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)了。在tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中可以開(kāi)發(fā)并調(diào)試各種應(yīng)用程序，添加程序并編譯成功后就可以下載到目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試了。下面通過(guò)一個(gè)應(yīng)用程序調(diào)試示例加以說(shuō)明。
4 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序示例
4.1 開(kāi)發(fā)并編譯程序
啟動(dòng)Tornado II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用工程向?qū)?chuàng)建一個(gè)可下載工程（downloadable application modules）項(xiàng)目project1，在創(chuàng)建過(guò)程中選擇工具鏈（toolchain）為PPC860gnu。在工程項(xiàng)目中編寫(xiě)或添加應(yīng)用程序源文件，如一個(gè)Hello.c文件。
#include "vxworks.h"
#include "drv/multi/ppc860Siu.h"
void root()
{
printf("hello！How are you?\n"); /*在終端輸出此信息*/
}
#define PD10 (0x0020)
#define PD09 (0x0040)
#define RUNLIGHT PD10
#define LINKLIGHT PD09
void RunLight(void)
{
int immrVal = vxImmrGet();
*PDDIR(immrVal)|=RUNLIGHT;
while(1)
{
*PDDAT(immrVal) ^=RUNLIGHT;
taskDelay(sysClkRateGet()/2);/*delay 0.5 second*/
}
}
void run()
{
taskSpawn ("RunLight", 100,0 /*switchTaskOptions*/,0x1000,
(FUNCPTR)RunLight, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
} /*通過(guò)以上函數(shù)創(chuàng)建并激活一個(gè)新任務(wù)，點(diǎn)亮系統(tǒng)指示燈*/
4.2 配置和運(yùn)行target server
使用Tornado編譯器編譯成功后下載。下載之前首先要配置和運(yùn)行target server，在菜單tool/target server/configure中，先點(diǎn)擊new新建一個(gè)配置如configuration1, 然后開(kāi)始配置。
在target server proportion 項(xiàng)的“Back End”的選項(xiàng)中選擇wdbrpc；
在target server proportion 項(xiàng)的“Core File and Symbols”的選項(xiàng)中設(shè)置vxworks鏡像文件位置為C:\；
在target name/ip address輸入目標(biāo)板的ip 地址192.168.1.254；
配置完成，點(diǎn)擊Launch運(yùn)行；
下面可以下載和運(yùn)行應(yīng)用程序了。
4.3下載和運(yùn)行程序
在工程上點(diǎn)擊右鍵，選擇download project1.out下載應(yīng)用程序到目標(biāo)板，然后可以在Tornado中的shell里運(yùn)行應(yīng)用程序了，如在shell中運(yùn)行hello.c中的root函數(shù)（在shell中打印hello！How are you?）和run（目標(biāo)板的run燈會(huì)閃亮）。
在每次下載調(diào)試應(yīng)用程序或添加新的應(yīng)用程序時(shí)都不需要把它們和vxworks內(nèi)核編譯到一起，這樣節(jié)省了開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。
5 總結(jié)
本文描述了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的開(kāi)發(fā)方法，憑借性能優(yōu)良的VxWorks和高度集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，VxWorks的應(yīng)用已成為新的研究熱點(diǎn)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用相近的BSP開(kāi)發(fā)用戶(hù)自己的板級(jí)支持包，難度降低了并縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，使用ftp server下載VxWorks內(nèi)核鏡像，使用Torndo 工具編譯、調(diào)試和下載應(yīng)用程序。通過(guò)這樣的流程對(duì)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的方便，該方法已得到廣泛應(yīng)用。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)在MPC8XX系列cpu上的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了具體而實(shí)用的描述。有一定的應(yīng)用價(jià)值。