嵌入式实时操作系统ECOS在S3C2510上的移植实现

摘    要： 本文介绍了实时操作系统ECOS的特点及基本结构，并具体研究了ECOS在三星公司以ARM940T为内核的S3C2510嵌入式芯片上的移植方法。文章着重讨论了移植过程中的重点与难点部分：ECOS的硬件抽象层(HAL)移植。该移植方案已经过实际测试，系统稳定可靠，可运行多任务式应用程序。
关键词：实时操作系统；ECOS；硬件抽象层；移植；ARM

引言
ECOS(Embedded Configurable Operating System，嵌入式可配置操作系统)是一种针对16位、32位和64位处理器的可移植嵌入式实时操作系统。由于其源代码是公开的，因而有越来越多的设计人员开始关注ECOS操作系统。ECOS最大的特点是模块化，内核可配置。最小版本的ECOS只有几百字节，非常适合小型嵌入式系统的开发。相对于嵌入式Linux来说，ECOS有配置灵活和节省资源的优势。它的另一个优点是使用多任务抢占机制，具有最小的中断延迟，支持嵌入式系统所需的所有同步原语，并拥有灵活的调度策略和中断处理机制，因而具有良好的实时性。与Clinux和COS等操作系统相比，ECOS更适合于处理实时信号的设备，如移动通信、WLAN等通信设备的开发。
S3C2510是一款低功耗、高效能、面向以太网系统的微处理器。它的系统时钟可达133MHz，并包含了16/32位宽的ARM940T核、4KB的I-CACHE和4KB的D-CACHE。S3C2510带有两个独立的10/100Mbps的以太网控制器，这两个接口能够以硬件完成IEEE802.3的MAC层处理，因此更适合用作SOHO路由器、internet网关，甚至宽带无线接入设备的开发。ECOS操作系统也非常适合这些网络设备的开发，本文将介绍S3C2510的移植方案，给各种以ARM为内核处理器的ECOS底层移植开发提供一个系统的范例。

图 1    ECOS操作系统结构图
ECOS底层移植的基础知识
ECOS系统的主要组成部分如图1所示。操作系统的主要功能       及特点是由其内核所决定的，底层移植一般不会涉及到系统内核的内容。由图1可见,硬件抽象层是嵌入式操作系统和硬件直接接触的基本层，其将系统内核和具体的硬件平台彻底隔离开, 实现了系统内核与硬件的无关性，这就是操作系统具有良好可移植性的体现。因此，对于开发人员来说，移植操作系统真正的意义和工作在于移植操作系统的硬件抽象层。
硬件抽象层HAL对处理器结构和系统硬件平台进行抽象，当要在一个新的目标平台上运行ECOS时，只需要对底层的硬件抽象层进行修改，便可迅速地将整个ECOS系统移植到新的平台上。硬件抽象层主要包括三大模块——体系结构抽象层(Architecture HAL)、变体抽象层(Variant HAL)和平台抽象层(Platform HAL)。体系结构抽象层主要是指ECOS所支持的具有不同体系结构的处理器系列，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等等。变体抽象层指的是处理器系列中某款处理器在Cache、MMU和FPU等方面所具有的特殊性。如S3C2510属于ARM系列中的ARM940T，在变体抽象层中就会具体地针对ARM940T的Cache等方面作出定义。平台抽象层则是对当前系统硬件平台的抽象，包括了平台的启动、芯片选择与配置、定时设备、I/O寄存器访问以及中断寄存器等等。平台抽象层代码的编写是ECOS移植工作的重点。

HAL移植的主要步骤
建立适当的文件目录
ECOS本身有一个完整的文件目录，只有把新建的底层文件放在适当的文件目录下面，才能确保配置和编译工作的成功，也有助于利用ECOS本身已有的源代码，如结构体系层和变体层中的许多成熟可用的代码。由于本系统中S3C2510处理器的内核是ARM940T，因而可以把S3C2510的目录建立在ECOS库路径packages/hal/arm/arm9/下。
建立S3C2510的cdl文件
cdl文件使用cdl脚本语言描述该硬件设备(包或平台)的特性和常用指标。cdl文件实现系统在源码级的功能和指标配置，犹如一个项目管理高层对其仓库中组件特性的登记，只有登记后的包、组件和选项才能被操作系统配置工具识别和配置。
以下是S3C2510的cdl文件中的几段重要描述。
* cdl_package CYGPKG_ HAL_ARM_ ARM9_S3C2510
这是S3C2510在ecos.db中所登记的包的名字，它下面包含了该板的一些基本设置和组件，如母体体系结构(parent)、包含的头文件、编译的C文件等。
* cdl_component CYG_HAL _STARTUP
系统启动方式，有3种选择：ram启动、rom启动、romram启动。
* cdl_component CYGNUM_ HAL_CPUCLOCK
平台的系统时钟设置，以便于ECOS其他组件以此时钟为标准。该平台系统时钟的默认值设为133MHz。
* cdl_option CYGNUM_HAL_ RTC_PERIOD
ECOS内核的运行时钟单位。ECOS内核以一个tick为时钟单位，而一个tick的长度就等于该选项的设定值。
在ecos.db中登记
S3C2510的硬件包
ecos.db是关于ECOS系统的一个数据库文件(在packages目录下)，它包含了硬件包管理工具和一些在组件配置库中的包。与cdl文件相比，ecos.db登记了仓库中的物品，而cdl文件则登记每种物品的特性。只有在ecos.db中登记了的包，才能被ECOS的库编译工具(configtool)选中和使用。如果要在配置工具的模板选项中(template)增加可供选择的硬件目标板，那么，需要先在ecos.db中登记其包描述，再增加其目标板描述。一般的辅助硬件(如网卡、串口等)只需要第一步的登记。因此，在ecos.db中登记S3C2510平台硬件包的基本步骤就是登记硬件平台的包描述(package CYGPKG_HAL_ARM_ ARM9_ S3C2510)和目标描述(target S3C2510)。需要注意的是，target S3C2510中所包含的3个硬件描述包CYGPKG_HAL_ARM、CYGPKG_HAL_ARM_ARM9和CYGPKG_HAL_ARM_ARM9_ S3C2510是不能缺少的，因为它们是标板的核心——主体系结构包、子体系结构包和主芯片包。另外，还可以可选地添加其他辅助硬件包(如网卡、串口等)。
编写平台抽象层的有关代码
硬件平台层所需编写的代码文件的一般功能如下所示。
* include /plf_cache.h —— 平台专用cache处理 (可选)。在本系统中不需要编写，可直接调用ARM9变体层的hal_cache.h。
* include / hal_platform_ints.h —— 平台专用中断处理，定义平台中断向量号。
* include / plf_io.h —— I/O 定义和系统寄存器的宏定义。
* include ¬/ hal_platform_setup.h —— 平台启动代码。本文件主要用ARM汇编指令编写，实现平台上电后程序的启动和执行。
* src/s3c2510_misc.c —— HAL的底层标准函数，包括时钟平台初始化、时钟延时函数、中断使能、中断屏蔽、中断响应等。
* src/ hal_diag.c —— 硬件抽象层诊断输出函数，包含ECOS系统中printf打印的硬件设备驱动程序。
* misc/ redboot_primary_ ram.ecm —— 基于RAM启动方式的redboot最小配置文件。
* misc/redboot_primary_ rom.ecm —— 基于ROM启动方式的redboot最小配置文件。
硬件启动过程
编写硬件启动的初始化过程是HAL移植的一个难点。当硬件重新上电后，系统的程序指针会自动指向地址0(通常地址0存放着bootloader代码段)。在ECOS操作系统中，程序首先会运行vectors.S文件(该文件存在于hal/arm/arch/src/目录下)，它定义了reset_vector、start等各种启动标号。接着调用S3C2510平台层的hal_platform_ setup.h文件中的宏platform_setup1和arm9变体层arm9_misc.c文件中的函数 hal_hardware_init。
hal_platform_setup.h定义了宏platform_setup1以供vectors.S调用。该宏定义了目标板上SDRAM和FLASH的初始化启动，其中包括了它们的取数方式和内存大小。然后根据不同的启动方式执行程序。对于RAM启动方式，无需进行程序段与数据段的搬移，系统已认为SDRAM的起始地址即为程序的起始地址；对于ROM启动方式，需要搬移数据段，而程序段无需搬移；对于ROMRAM启动方式，程序段与数据段都需要进行搬移，然后再把程序起始地址映射为SDRAM的起始地址。
在程序搬移完成后，系统会进行其他硬件的初始化过程，包括系统时钟、系统CACHE、监控串口等基本硬件设备。
内存布局文件编写
平台的内存布局文件在include/pkgconf目录下。通常，每个平台包括了RAM、ROM和ROMRAM 3种不同启动方式的内存布局文件集。每种启动方式的内存布局文件集都由3个类型的描述文件组成：.h文件包含内存域的C宏定义；.ldi文件定义内存域和内存段位置的链接脚本文件；.mlt文件包括由MLT工具产生的对内存布局的描述。当需要手动修改内存布局时，只有.h和.ldi文件可以被修改，.mlt文件只能由MLT工具生成。
下面以S3C2510的ram启动方式内存布局为例，主要说明mlt_arm_s3c2510_ram.h和mlt_arm_s3c2510_ram.ldi的程序结构。
由于S3C2510的开发板有两个16MB的SDRAM，因而要定义两个内存域ram1和ram2。系统设置寄存器在初始化时已经把内存段重新映射，因而两个SDRAM的基地址就是0x0和0x40000000，两个内存域的大小是16MB，分配方式都是可读写的内存段。
在mlt_arm_s3c2510_ram.ldi中分为两大部分。首先是MEMORY部分，它定义了在RAM启动方式下所需要的内存域，以及该内存域的起始地址和长度。MEMORY部分的内容必须与mlt_arm_s3c2510_ ram.h中定义的宏一致。其次是SECTIONS部分，它定义了RAM启动方式下所规定的内存段，这些内存段的定义与系统内存管理功能有关。在SECTION_XXX后带有相应的参数，这些参数包括了内存段所属的内存域、起始地址(或者是对齐方式)、虚拟内存地址(VMA)和加载内存地址(LMA)。
以SECTION_fixed_vectors (ram1, 0x200, LMA_EQ_VMA)为例，它表示fixed_vectors段属于ram1内存域，起始地址为0x200，加载内存地址等于虚拟内存地址。LMA_EQ_VMA同时也可以解释为该内存段不需要在程序运行后重新分配加载。

调试结果
S3C2510目标板上带有1块4MB的FLASH和2块16MB的SDRAM。
利用ECOS的自带编译工具configtool对新建的S3C2510目标板进行编译，生成ECOS的库文件。然后把库目录下的install目录内容复制到应用工程目录下，使ECOS库包含到应用工程中。然后把该工程的.elf文件利用EMBEST公司开发的IDE仿真器直接下载到目标板的SDRAM中。此时的ECOS操作系统应为RAM启动方式。
通过IDE对程序的调试与测试结果表明，本文提出的S3C2510移植方案使ECOS操作系统在目标板中运行正常稳定。该操作系统支持多个工作线程的应用程序。S3C2510的串口、网口均能与pc机正常传输数据。

结语
ECOS是一款非常年轻的嵌入式操作系统，1997年才正式推广使用。现阶段有关ECOS开发的参考资料和专门从事人员仍然很少，造成了ECOS产品研发周期和开发成本的增加。因此，本文提出的ECOS操作系统的驱动底层代码编写方法对于使用ECOS开发产品具有相当重要的指导意义。