【大学课件】嵌入式系统软件开发技术.ppt

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1、 嵌入式系统软件开发技术,嵌入式系统,http:/ BSP 嵌入式系统初始化以及BSP的设计 Linux系统驱动程序开发 嵌入式联网,http:/ Support Packages），说的简单一点，就是一段启动代码，和计算机主板的BIOS差不多，但提供的功能区别就相差很大 在Windows CE中，BSP是驱动程序、OEM适应层（OEM Adaptation Layers，OAL）、硬件抽象层（HAL）以及启动设备和使外设正常工作所需BIOS文件的集合。,http:/ BSP是和操作系统绑在一起运行，尽管BSP的开始部分和BIOS所做的工作类似，但是 BSP还包含和系统有关的基本驱动 BIOS

2、程序是用户不能更改，编译编程的，只能对参数进行修改设置，但是程序员还可以编程修改BSP，在BSP中任意添加一些和系统无关的驱动或程序，甚至可以把上层开发的统统放到BSP中,http:/ 即使同一种CPU，由于外设的一点差别BSP相应的部分也不一样,http:/ 因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，所以，作为高层软件与硬件之间的接口，BSP必须为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。 操作系统相关性 不同的操作系统具有各自的软件层次结构， 因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式,http:/ 设计初始化过程，完成嵌入式系统的初始化； 设计硬件相关的设备驱动，完成操作系统及应用程序对具

3、体硬件的操作。,http:/ 初始化过程总可以抽象为三个主要环境，按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为： 片级初始化 板级初始化 系统级初始化,http:/ 主要完成CPU的初始化 设置CPU的核心寄存器和控制寄存器 CPU核心工作模式 CPU的局部总线模式等 片级初始化把CPU从上电时的缺省状态逐步设置成为系统所要求的工作状态 这是一个纯硬件的初始化过程,http:/ 完成CPU以外的其他硬件设备的初始化 同时还要设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境 这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程,http:/ 这是一个以软件初始化为主的过程，

4、主要进行操作系统初始化 BSP将控制转交给操作系统，由操作系统进行余下的初始化操作： 包括加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序 建立系统内存区 加载并初始化其他系统软件模块（如网络系统、文件系统等） 最后，操作系统创建应用程序环境并将控制转交给应用程序的入口,http:/ 与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序的初始化和使用通常是一个从高层到底层的过程 尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用 而是在系统初始化过程中由BSP把它们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。,http:/ ：

5、 熟悉硬件方面：使用CPU等 熟悉工具方面：电表，示波器，逻辑分析仪，硬件仿真器，仿真调试环境等 语言方面：汇编语言，C语言 BSP开发的一般步骤如下： 硬件主板研制，测试 操作系统的选定，BSP编程 上层应用程序的开发,http:/ 如果应用程序对板卡的操作都直接通过调用BSP中的函数来完成，那将很不利于源程序的调试 ，并降低了程序的可移植性 把能完成某个特定功能的函数封装在一个库文件中，并放在应用程序与BSP之间 对每个芯片来说，都应当有初始化函数和状态读取函数,http:/ 要求掌握操作系统所定义的BSP接口 两种快捷方法 以经典BSP为参考 使用操作系统提供的BSP模板 设计实现BSP

6、两部分功能时应采用以下两种不同方法 “自底向上”地实现BSP中的初始化操作 “自顶向下”地设计硬件相关的驱动程序,http:/ 直接修改相关文件容易造成代码的不一致性，增加软件设计上的隐形错误，从而增加系统调试和代码维护的难度 解决这个问题的一个可行办法是：设计实现一种具有图形界面的BSP开发设计向导，由该向导指导设计者逐步完成BSP的设计和开发，并最终由向导生成相应的BSP文件，而不再由设计人员直接对源文件进行修改。,http:/ Linux允许设备驱动程序作为内核可加载模块实现，即除了可以在系统启动时进行注册外，还可以在启动后进行加载注册。,http:/ 驱动程序的开发周期一般较长，对产品

7、的面世时间有着重要影响 驱动程序质量的好坏，直接关系到系统工作效能和稳定性，对项目的成败起着关键作用,http:/ 检测设备和初始化设备 使设备投入运行和退出服务 从设备接收数据并提交给内核 从内核接收数据送到设备 检测和处理设备错误,http:/ 设备的读写和普通文件一样 Linux系统的设备分为如下三类： 字符设备(char device) 块设备(block device) 网络设备(network device) 字符设备是指存取时没有缓存的设备 块设备的读写都有缓存来支持，且块设备必须能够随机存取(random access) 网络设备在Linux里做专门的处理,http:/ Lin

8、ux的网络系统主要是基于BSD unix的socket 机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据的传递 系统里支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持,http:/ 块设备主要包括硬盘、软盘设备、CD-ROM等 一个文件系统要安装进入操作系统必须在块设备上,http:/ 工业控制常用的串口，并口 人机输入设备如鼠标、键盘，触摸屏 彩色、黑白液晶显示输出 网络的完善支持，包括tcp/ip，udp，firewall，WLAN，ip forwarding，ipsec，vpn Usb的全面支持，包括usb硬盘、u盘，usb摄像头 支持丰富的文

9、件系统，包括FAT32，NTFS,http:/ 收发通讯数据 读写存储介质，比如flash或硬盘 操作输出设备和执行机构，例如打印，开关门禁等,http:/ 应用软件通过驱动程序安全高效的访问硬件 驱动程序文件可以方便的提供访问权限控制 驱动程序作为一个隔离的中间层软件，将底 层细节隐藏起来，提高了软件的可移植性,http:/ 件系统节点 应用程序通过dev文件节点访问驱动 程序 应用程序通过proc文件节点可以查 询设备驱动的信息,http:/ 通常驱动程序占kernel代码的50% Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。

10、 在Linux内核的不断升级过程中，驱动程序的结构还是相对稳定。 在2.0.xx到2.2.xx的变动里，驱动程序的编写做了一些改变，但是从2.0.xx的驱动到2.2.xx的移植只需做少量的工作。,http:/ 嵌入式设备硬件各异 嵌入式计算平台往往资源有限，比如处理速度、存储器容量、总线带宽、电池容量等 通常要求短的开发周期、压力大 开发驱动程序需要丰富的专业知识，包括 硬件和软件知识,http:/ 国际上大的嵌入式芯片提供商如Intel、 Samsung、Freescale、TI、ST每年都有大量新品推出 新的芯片功能总是需要相应的驱动程序支持,http:/ 确定设备驱动程序类别 编写测试用

11、例 搜集可重用的代码 编写自己的驱动程序代码 编码、调试、测试,http:/ 开发环境配置简单 无需网络环境 适用于配置较高的x86机器 主机+目标机 主机可以自由选择Linux或Windows+Cygwin 主机和目标机通过网络共享文件系统 内核崩溃不会影响主机,http:/ 主机运行的工具链cross gcc + glibc + gdb， 如果是windows主机还要有cygwin仿真环境 主机运行远程服务，常用的有tftp用来传送内 核映像、initrd，NFS用来共享文件系统 目标机运行ssh或telnet等远程登陆服务，用来 调试驱动程序,http:/ 驱动程序在内核启动时就已经在内

12、存中 可以保留专用存储器空间 驱动程序以模块形式存储在文件系 统里，需要时动态载入内核 驱动程序按需加载，不用时节省内存 驱动程序相对独立于内核，升级灵活,http:/ 分离硬件相关和硬件无关的代码 划分驱动程序的抽象层次 移植驱动程序到新的平台,http:/ CPU时间片分配 中断处理 系统存储器空间映射,http:/ 划分驱动程序的抽象层次,http:/ 式动态加载 驱动程序可以以私有产权形式进行 商业授权,http:/ register_chrdev() register_blkdev() 设备的打开与释放 open() release() 设备的读写操作 read() write()

13、设备的控制操作 ioctl(),http:/ int func_init(void) Makefile: insmod xx.o lsmod rmmod xx.o 将驱动静态编译到内核里面 int _init func_init(void) Makefile: 启动时自动加载,http:/ 操作系统提供给驱动程序的支持也大致相同 以下简单介绍网络设备驱动程序的一些基本要求,http:/ 这是一个网络设备最基本的功能 如一块网卡所做的无非就是收发工作。所以驱动程序里要告诉系统发送函数在哪里，系统在有数据要发送时就会调用发送程序。 驱动程序由于是直接操纵硬件的，所以网络硬件有数据收到，最先能得到这

14、个数据的也就是驱动程序，它负责把这些原始数据进行必要的处理，然后送给系统。 这里，操作系统必须要提供两个机制： 找到驱动程序的发送函数 驱动程序把收到的数据送给系统,http:/ 几乎所有设备都有输入和输出。每个驱动程序要负责本设备的读写操作。 操作系统不需要知道对设备的具体读写操作怎样进行，这些都由驱动程序屏蔽掉了 操作系统定义好一些读写接口，由驱动程序完成具体的功能 在驱动程序初始化时，需要把具有这种接口的读写函数注册进操作系统,http:/ 中断在现代计算机结构中有重要的地位 操作系统必须提供驱动程序响应中断的能力 一般是把一个中断处理程序注册到系统中去 操作系统在硬件中断发生后调用驱动

15、程序的处理程序 Linux支持中断的共享，即多个设备共享一个中断,http:/ 在实现驱动程序时，很多地方会用到时钟。如某些协议里的超时处理，没有中断机制的硬件的轮询等。 操作系统应为驱动程序提供定时机制 一般是在预定的时间过了以后回调注册的时钟函数,http:/ 用命令insmod插入一个模块到内核中，用命令rmmod卸载一个模块 在Linux内核中，以下内容一般编译成模块： 大多数的驱动程序。包括SCSI设备，CD-ROM，网络设备，不常用的字符设备，如打印机，watchdog等。 大多数文件系统，理论上除了根文件系统不能是模块，其他文件系统都可以是模块。 一些内核支持的不常用的可执行文件

16、格式，如binfmt_misc。,http:/ 和高级模块化,Linux 提供了对模块自动加载和卸载的支持 要利用这一特性，在编译内核前进行的配置中，必须打开对 kmod 的支持选项。 一旦内核试图访问某种资源并发现该资源不可用时，它会对 kmod 子系统进行一次特殊的调用而不仅仅是返回一个错误 按需加载的例子 ：ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）声卡驱动程序组的实现,http:/ 中断 时钟 I/O 中断打开关闭 输出信息 注册驱动程序,http:/ 与用户模式下的malloc()不同，kmalloc()申请空间有大小限制。长度是2的整次方。可以申

17、请的最大长度也有限制。另外kmalloc()有priority参数 Kfree()释放的内存必须是kmalloc()申请的,http:/ 是驱动程序申请中断和释放中断的调用。 在include/linux/sched.h里声明,http:/ 在include/linux/timer.h里声明 使用时钟，先声明一个timer_list结构，调用init_timer对它进行初始化。Time_list结构里expires是标明这个时钟的周期，单位采用jiffies的单位。,http:/ inline unsigned int inb(unsigned short port); inline unsi

18、gned int inb_p(unsigned short port); inline void outb(char value, unsigned short port); inline void outb_p(char value, unsigned short port); 在include/adm/io.h里定义,http:/ 是在include/asm/system.h #define cli() _asm_ _volatile_ (“cli“:) #define sti() _asm_ _volatile_ (“sti“:),http:/ include/linux/kernel.

19、h里声明,http:/ 不再使用时，把设备从系统中卸除 定义在drivers/net/net_init.h里的两个函数完成这个工作 Int register_netdev(struct device *dev); void unregister_netdev(struct device *dev);,http:/ 设计时采用的是面向对象的方法 一个设备就是一个对象(device 结构)，它内部有自己的数据和方法 每一个设备的方法被调用时的第一个参数都是这个设备对象本身。这样这个方法就可以存取自身的数据(类似面向对象程序设计时的this引用) 一个网络设备最基本的方法有初始化、发送和接收,htt

20、p:/ 发送程序是在驱动程序的上层协议层有数据要发送时自动调用的。一般驱动程序中不对发送数据进行缓存，而是直接使用硬件的发送功能把数据发送出去 接收数据一般是通过硬件中断来通知的。在中断处理程序里，把硬件帧信息填入一个skbuff结构中，然后调用netif_rx( )传递给上层处理,http:/ 打开(open) 关闭(stop ） 发送(hard_start_xmit) 接收(reception) 硬件帧头(hard_header) 地址解析(xarp) 参数设置和统计数据,http:/ 在把驱动程序载入系统的时候会调用这个初始化程序。它做以下几方面的工作： 检测设备：在初始化程序里你可以根

21、据硬件的特征检查硬件是否存在，然后决定是否启动这个驱动程序。 配置和初始化硬件：在初始化程序里可以完成对硬件资源的配置，比如即插即用的硬件就可以在这个时候进行配置(Linux内核对PnP功能没有很好的支持，可以在驱动程序里完成这个功能)。 配置或协商好硬件占用的资源以后，就可以向系统申请这些资源。有些资源是可以和别的设备共享的，如中断。有些是不能共享的，如IO、DMA。 初始化device结构中的变量 让硬件正式开始工作,http:/ open这个方法在网络设备驱动程序里是在网络设备被激活的时候被调用(即设备状态由downup) 实际上很多在initialize中的工作可以放到这里来做。比如资

22、源的申请、硬件的激活。 如果dev-open返回非0(error)，则硬件的状态还是down open方法另一个作用是如果驱动程序做为一个模块被装入，则要防止模块卸载时设备处于打开状态。 在open方法里要调用MOD_INC_USE_COUNT宏,http:/ close方法做和open相反的工作。可以释放某些资源以减少系统负担。 close是在设备状态由up转为down时被调用的 如果是做为模块装入的驱动程序，close里 应该调用MOD_DEC_USE_COUNT，减少设备被引用的次数，以使驱动程序可以被卸载。 close方法必须返回成功(0=success),http:/ 所有的网络设备

23、驱动程序都必须有这个发送方法。 在系统调用驱动程序的xmit时，发送的数据放在一个sk_buff结构中。 一般的驱动程序把数据传给硬件发出去。也有一些特殊的设备比如loopback把数据组成一个接收数据再回送给系统，或者 dummy设备直接丢弃数据。 如果发送成功，hard_start_xmit方法里释放sk_buff，返回0(发送成功) 如果设备暂时无法处理，比如硬件忙，则返回1。这时如果dev-tbusy置为非0，则系统认为硬件忙，要等到dev-tbusy置0以后才会再次发送。tbusy的置0任务一般由中断完成。,http:/ 在发送不成功的情况下，也可以不置dev-tbusy为非0，这样

24、系统会不断尝试重发。 如果hard_start_xmit发送不成功，则不要释放sk_buff。 传送下来的sk_buff中的数据已经包含硬件需要的帧头。所以在发送方法里不需要再填充硬件帧头，数据可以直接提交给硬件发送。sk_buff是被锁住的(locked)， 确保其他程序不会存取它。,http:/ 驱动程序并不存在一个接收方法。有数据收到应该是驱动程序来通知系统的。 一般设备收到数据后都会产生一个中断，在中断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff(skb)，从硬件读出数据放置到申请好的缓冲区里。接下来填充sk_buff中的一些信息。skb-dev = dev，判断收到帧的协议类型，填入sk

25、b-protocol(多协 议的支持)。 把指针skb-mac.raw指向硬件数据然后丢弃硬件帧头(skb_pull)。,http:/ 设置skb-pkt_type，标明第二层(链路层)数据类型。可以是以下类型： PACKET_BROADCAST : 链路层广播 PACKET_MULTICAST : 链路层组播 PACKET_SELF : 发给自己的帧 PACKET_OTHERHOST : 发给别人的帧(监听模式时会有这种帧) 最后调用netif_rx()把数据传送给协议层。netif_rx()里数据放入处理队列然后返回，真正的处理是在中断返回以后，这样可以减少中断时间。 调用netif_rx

26、()以后，驱动程序就不能再存取数据缓冲区skb。,http:/ 驱动程序提供一个hard_header方法，协议层(ip、ipx、arp等)在发送数据之前会调用这段程序。 硬件帧头的长度必须填在dev-hard_header_len，这样协议层回在数据之前保留好硬件帧头的空间。这样hard_header程序只要调用skb_push然后正确填入硬件帧头就可以了。,http:/ 数据的sk_buff device指针 Protocol 目的地址(daddr) 源地址(saddr) 数据长度(len) 数据长度不要使用sk_buff中的参数，因为调用hard_header时数据可能还没完全组织好 s

27、addr是NULL的话是使用缺省地址(default) daddr是NULL表明协议层不知道硬件目的地址 如果hard_header完全填好了硬件帧头，则返回添加的字节数。,http:/ header的工作。 目前Linux系统里就是做arp (如果hard_header返回正，dev-arp=1，表明不需要做arp，返回负，dev-arp=0，做arp)。 对hard_header的调用在每个协议层的处理程序里。如ip_output。,http:/ 有些网络有硬件地址(比如Ethernet)，并且在发送硬件帧时需要知道目的硬件地址。这样就需要上层协议地址(ip、ipx)和硬件地址的对应。这个

28、对应是通过地址 解析完成的。 需要做arp的的设备在发送之前会调用驱动程序的rebuild_header方法。调用的主要参数包括： 指向硬件帧头的指针 协议层地址 如果驱动程序能够解析硬件地址，就返回1，如果不能，返回0。 对rebuild_header的调用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()里。,http:/ 在驱动程序里还提供一些方法供系统对设备的参数进行设置和读取信息。 一般只有超级用户(root)权限才能对设备参数进行设置。 设置方法有： dev-set_mac_address() 当用户调用ioctl类型为SIOCSIFHWADDR时是要设置这个设

29、备的mac地址。一般对mac地址的设置没有太大意义的。,http:/ 当用户调用ioctl时类型为SIOCSIFMAP时，系统会调用驱动程序的set_config方法。用户会传递一个ifmap结构包含需要的I/O、中断等参数。 dev-do_ioctl() 如果用户调用ioctl时类型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之间，系统会调用驱动程序的这个方法。一般是设置设备的专用数据。 读取信息也是通过ioctl调用进行。 除次之外驱动程序还可以提供一个dev-get_stats方法，返回一个enet_statistics结构，包含发送接收的统计信息。 ioctl的处

30、理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()里,http:/ sk_buff Linux网络各层之间的数据传送都是通过sk_buff,http:/ 硬件发送忙时的处理 流量控制(flow control) 调试,http:/ 系统提供的request_irq()调用的定义： int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs), unsigned long irqflags, const char * devname, v

31、oid *dev_id); 如果共享中断，irqflags设置SA_SHIRQ属性，这样就允许别的设备申请同一个中断。需要注意所有用到这个中断的设备在调用request_irq()都必须设置这个属性。系统在回调每个中断处理程序时，可以用dev_id这个参数找到相应的设备。一 般dev_id就设为device结构本身。系统处理共享中断是用各自的dev_id参数依次调用每一个中断处理程序。,http:/ 一般对发送忙的处理在前面设备的发送方法(hard_start_xmit)里已经描述过，即如果发送忙，置tbusy为1。处理完发送数据后，在发送结束中断里清tbusy，同时用mark_bh()调用通

32、知系统继续发送。 但在具体实现驱动程序时发现，这样的处理系统好象并不能及时地知道硬件已经空闲了，即在mark_bh()以后，系统要等一段时间才会接着发送。造成发送效率很低。 实现时不把tbusy置1，让系统始终认为硬件空闲，但是报告发送不成功。系统会一直尝试重发。这样处理就运行正常了。,http:/ 每个设备数据结构里都有一个参数dev-tx_queue_len，这个参数 标明发送时最多缓存的数据包。在Linux系统里以太网设备(10/100Mbps) tx_queue_len一般设置为100，串行线路(异步串口)为10。 实际上，设置了dev-tx_queue_len并不是为缓存这些数据申请

33、了空间。这个参数只是在收到协议层的数据包时判断发送队列里的数据是不是到了tx_queue_len的限度，以决定这一包数据加不加进发送队列。发送时另一个方面的流控是更高层协议的发送窗口(TCP协议里就有发送窗口)。 达到了窗口大小，高层协议就不会再发送数据。 接收流控也分两个层次。netif_rx()缓存的数据包有限制。另外高层协议也会有一个最大的等待处理的数据量。 发送和接收流控处理在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()和netif_rx() 中。,http:/ 支持模块方式的驱动程序必须提供两个函数：int init_module(void)和void cleanup_module(void)。 init_module()在加载此模块时调用，在这个函数里可以register_netdev()注册设备。init