作者:库少平 方俊 来源:微计算机信息

摘要  嵌入式开发中一个重要的环节是板级支持包(BSP)的开发,实际开发过程更倾向于移植BSP而不是重新开发BSP。本文先介绍了samsung公司的S3C2410微处理器和嵌入式操作系统Windows CE 5.0 特性,分析BSP结构,在此基础上,通过 bootloader, OAL, 触摸屏驱动的移植来具体探讨BSP移植过程。

关键词  S3C2410 ;Windows CE 5.0 ;板级支持包;移植

1 引言

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 5.0BSP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:⑴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:

⑴ 执行startup.s:对CPU,内存控制器,Cache等做一些基本的初始化。

⑵ 初始化串口:调用函数OEMInitDebugSerial()来完成。

⑶ 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。

⑷ 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。

⑸ 执行函数DownloadImage():下载镜像到SDRAM中。

⑹ 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:

⑴ 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。

⑵ 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)\eboot\boot.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.

⑶ 修改boot.bib,使其不与config.bib中的内存分配造成冲突。

⑷ 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。

⑴ 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

⑵ 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));     

⑶ 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\r\n"

        ));

    } // 初试化中断

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

     OALKitlStart();// 初始化KITL

  }

⑷ 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。

⑸ 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:

⑴ 修改source文件,要添加如下库文件:

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

SOURCELIBS= \

                         $(_COMMONOAKROOT)\lib\$(_CPUINDPATH)\tch_cal.lib \

                         $(_COMMONOAKROOT)\lib\$(_CPUINDPATH)\tchmdd.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。

⑵ 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。

⑶修改platform.bib,将我们移植过来的驱动dll包含到nk.bin中

⑷修改platform.reg,其中CalibrationData是触摸屏的一个参数:

[HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE\DEVICEMAP\TOUCH]

"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:

⑴  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。

⑵  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。

⑶ 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。

⑷ 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。

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。 

参考文献

[1] 潘永才,鲁启华,田茂.基于s3c2410的GPS通信实现[J].现代电子技术,2006,15,157-159

[2] 林涛.嵌入式操作系统Windows CE的研究[J].微计算机信息,2006,6-2,91-93

[3] 吕秀平,李小民.Windows CE.NET的定制和裁剪[J].科学技术与工程.6卷第21期,2006年11月,p3483-3486

[4] 曹荣,刘峰.一种DSP嵌入式多媒体应用系统板级支持包的研究[J] .第26卷第3期,2006年3月,p746-748

[5] 何宗健.Windows CE嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

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