嵌入式實時操作系統VxWorks入門

VxWorks的實時性體現在能于限定的時間內執行完所規定的功能，并能在限定的時間內對外部的異步事件作出響應。因此，實時性系統主要應用于過程控制、數據采集、通信、多媒體信息處理等對時間敏感的場合。本文將對這個操作系統進行一個入門級的、全面的介紹。為力求展示其全貌，全文共分五章：

(1)搭建VxWorks嵌入式開發環境;

(2)簡要介紹VxWorks的基本組成，內核的基本結構;

(3)概述VxWorks板級支持包(BSP)的概念及VxWorks的啟動過程;

(4)介紹VxWorks設備驅動的架構及編寫方法;

(5)指明VxWorks應用開發的思路，任務調度及任務同步、中斷與任務的同步機制。

以上各章中將貫穿著許多實例，由于本文定位于入門級教程，所以文中的實例都將十分簡單。下面我們進入第一章內容的講解。

嵌入式系統的調試方法一般為通過PC(宿主機)上的集成開發環境交叉編譯針對特定電路板(目標機)的程序，然后將程序通過目標板的JTAG、串口或網口等途徑下載到目標板上運行。因此，為了構造一個嵌入式系統的學習環境，擁有一塊包含CPU、存儲器及I/O電路(構造計算機系統)的目標電路板往往是必要的。雖然許多集成開發環境附帶模擬軟件，但僅限于指令集的模擬，均無法模擬物理的目標機硬件平臺，因而在其上只能進行應用程序的象征性模擬開發。但是，并非所有人都能擁有一塊物理的電路板。在這種情況下，我們如何構造一個模擬的開發環境，其學習效果就如同擁有完全真實的電路板一樣呢?本文試圖解答此問題，主體內容包括四個方面：

(1) 利用VMware等軟件模擬真實的目標機;

(2) 構建VMware虛擬PC上VxWorks BSP，建立Bootrom和OS映像;

(3) 修改Tornado相關設置，連接宿主機與目標機，建立調試通道;

(4) 寫一個簡單的應用程序并下載到目標系統運行。

　
　圖1 嵌入式系統的調試

本章工作的最終目標為：

(1)VxWorks在VMware啟動成功并順利運行，如圖2;

　圖2 在VMware中運行的VxWorks

　 (2)可在Tornado上針對目標板編譯程序并進行調試，如圖3。

　
　圖3 與目標機建立調試通道的Tornado

1. 模擬目標機

PC也具有目標機的所有特點，實際上，我們可以把PC作為嵌入式系統的目標機，從而構造如圖4所示的開發模型：

　圖4 PC作為目標機

很遺憾，這種方法實際上非常麻煩，同時開動兩臺PC進行調試將使你和你的室友飽受折磨，既然他如此地熱切于游戲和上網。因此，我們可以借助VMware來在本機上虛擬出另一PC。

VMware的確是天才的作品!在同一PC上，利用VMware幾乎可以安裝所有的操作系統，而且操作系統之間的切換不需要重新啟動電腦。VM的意義是Virtual Machine，即虛擬出一個邏輯的電腦，它可以提供基于Intel CPU的虛擬PC系統環境，包括CPU、內存、BIOS、硬盤和其他外圍硬件設備。

下面我們講解用VMware來建立一臺虛擬PC的步驟：

(1)并安裝VMware;

(2)使用VMware向導建立一個針對VxWorks的虛擬機;

此步驟中注意在操作系統中選擇“other”，如圖5：

由于目標機最終通過軟盤啟動，因此要求你的電腦具有軟驅。很遺憾，當年日常使用的軟盤如今成了古董，很少再有電腦配備軟驅。因此，我們再來制造一個假冒偽劣產品，虛擬一個軟驅。又一個天才的工具軟件RamDiskNT為我們提供了這一便利，圖6演示了用RamDiskNT虛擬一個1.44M軟盤的方法。

僅僅虛擬一個軟驅是不夠的，把這個軟驅添加到我們建立的虛擬機中才算修成正果，圖7演示了添加軟驅后的虛擬機硬件設置。

　
　圖7 包含軟驅的虛擬機

2. 構造BSP

2.1下載和編譯網卡驅動

VMware為運行于其上的操作系統提供虛擬網卡支持，該網卡類型即為AMD的PC-NET，在Tornado開發包中已經包含了該類型網卡的驅動程序，但經過，在VMware環境中該驅動無法正常工作，所以可從AMD的網站上下載最新的驅動程序。下載得到的是一個可執行的安裝程序，運行該程序將得到一個壓縮包和一個幫助文件，按照該幫助的要求，將壓縮包直接釋放到Tornado目錄下。如果提示是否允許覆蓋文件，則選擇允許。

此后按如下步驟完成驅動程序的編譯和替換：

(1)打開一個控制臺窗口，運行批處理程序：

C:tornado2.2hostx86-win32bintorVars.bat;

該批處理文件用于設置環境變量，其內容為：

rem Command line build environments

set WIND_HOST_TYPE=x86-win32

set WIND_BASE=C:Tornado2.2

set PATH=%WIND_BASE%host%WIND_HOST_TYPE%bin;%PATH%

如果沒有設置成功，可以手工設置這些環境變量。

(2)定位到C:tornado2.2targetsrcdrvend目錄，運行：

make CPU=PENTIUM tool=gnu ln97xend.o

(3)定位到C:tornado2.2targetlibpentiumPENTIUMcommon目錄，并將上一步生成的文件ln97xend.o復制到此目錄下。備份此目錄下的文件libdrv.a;

(4)運行命令arpentium -d libdrv.a ln97xEnd.o，刪除libdrv.a中原有的ln97xEnd模塊;

(5)運行命令arpentium -ra iOlicomEnd.o libdrv.a ln97xEnd.o將我們剛剛創建的新ln97xEnd模塊添加進去。

2.2修改配置文件

我們要修改編譯VxWorks的配置頭文件Config.h中定義的一些參數，使編譯出來的系統引導程序和VxWorks的映象符合我們的要求;同時還要修改sysLn97xEnd.c這個文件，以使系統的網絡功能正常運行。

(1)定位到目錄C:tornado2.2targetconfigpcPentium并打開該目錄下Config.h文件;

(2)查找到定義DEFAULT_BOOT_LINE宏的地方，修改預處理條件CPU == PENTIUM分支下的定義如下：

#define DEFAULT_BOOT_LINE

"lnPci(0,0)your_host_name:d:\VxWorks h=192.168.80.169 e=192.168.80.254 u=target pw=VxWorks tn=target"

其中：

• lnPci(0,0)指定了使用第0個網卡和第0個處理器，lnPci這個標識會因為使用的驅動程序不同而有所不同，但這里用lnPci就可以了;
• host指定你的主機的名字，使用host就可以;
• d:\VxWorks指定了VxWorks映象下載的完整路徑(后面會有說明);
• h=192.168.80.169是宿主機的IP地址，可以根據實際情況修改;
• e=192.168.80.254是目標機的IP地址，可以根據實際情況修改;
• u=target指定了FTP的用戶名，這個FTP就是用來下載VxWorks映象的;
• pw=VxWorks是FTP與用戶名target對應的密碼;
• tn=target指定目標機的名字，任意指定即可。

(3)指定網卡驅動程序

首先定位到“Network driver options”這段文字，保證INCLUDE_END和INCLUDE_LN_97X_END這兩個宏處于定義狀態(define)，其他的宏都處于未定義狀態(undef)，即：

以下是引用片段：
　　/* Network driver options */
　　#define INCLUDE_END /* Enhanced Network Driver Support */
　　#undef INCLUDE_DEC21X40_END /* (END) DEC 21x4x PCI interface */
　　#undef INCLUDE_EL_3C90X_END /* (END) 3Com Fast EtherLink XL PCI */
　　#undef INCLUDE_ELT_3C509_END /* (END) 3Com EtherLink III interface */
　　#undef INCLUDE_ENE_END /* (END) Eagle/Novell NE2000 interface */
　　#undef INCLUDE_FEI_END /* (END) Intel 8255[7/8/9] PCI interface */
　　#undef INCLUDE_GEI8254X_END /* (END) Intel 82543/82544 PCI interface */
　　#define INCLUDE_LN_97X_END /* (END) AMD 79C97x PCI interface */
　　#undef INCLUDE_ULTRA_END /* (END) SMC Elite16 Ultra interface */
　　#undef INCLUDE_BSD /* BSD / Netif Driver Support (Deprecated) */
　　#undef INCLUDE_EEX /* (BSD) Intel EtherExpress interface */
　　#undef INCLUDE_EEX32 /* (BSD) Intel EtherExpress flash 32 */
　　#undef INCLUDE_ELC /* (BSD) SMC Elite16 interface */
　　#undef INCLUDE_ESMC /* (BSD) SMC 91c9x Ethernet interface */

　(4)包含PC_CONSOLE

缺省情況下，VxWorks系統是不接受外部輸入設備(如鍵盤)的輸入，也不向外部輸出設備(如顯示器)輸出數據。為了便于調試，我們必須改變它的這種缺省狀態，包含對PC控制臺的支持。查找定位宏INCLUDE_PC_CONSOLE，保證其處于定義狀態(define)即可，即：

以下是引用片段：
　　#define INCLUDE_PC_CONSOLE /* PC keyboard and VGA console */
　　#ifdef INCLUDE_PC_CONSOLE
　　# define PC_CONSOLE (0) /* console number */
　　# define N_VIRTUAL_CONSOLES (2) /* shell / application */
　　#endif /* INCLUDE_PC_CONSOLE */

　(5)修改sysLn97xEnd.c

打開C:tornado2.2targetconfigpcPentium目錄下的sysLn97xEnd.c文件，先定位到“memory-mapped IO base”這段文字，然后將其前面的參數由pciRsrc[endUnit].bar[1]修改為NONE，保存即可，即：

以下是引用片段：
　　sprintf (paramStr, paramTemplate,
　　endUnit, /* END unit number */
　　NONE, /* memory-mapped IO base */
　　pciRsrc[endUnit].bar[0], /* IO address space base */
　　PCI2DRAM_BASE_ADRS, /* host PCI mem. base */
　　pciRsrc[endUnit].irqvec, /* IRQ vector */
　　pciRsrc[endUnit].irq, /* IRQ number */
　　LN97X_CSR3_VALUE, /* csr3 register value */
　　LN97X_OFFS_VALUE, /* offset */
　　LN97X_RSVD_FLAGS, /* flags (reserved) */
　　ln97xStrDesc[typeIdx] /* device description */
　　);

[next]

　2.3 編譯Bootrom和VxWorks映像

編譯Bootrom

打開Tornado開發工具，在Build菜單下選擇Build Boot ROM，選擇BSP為pcPentium，image類型為bootrom，工具為gnu，如圖8。點擊OK，Bootrom就會編譯。

　編譯VxWorks映像

編譯生成bootrom后，還要創建一個VxWorks映象(image)，也就是VxWorks操作系統本身的代碼，步驟為：

(1) 創建一個“bootable VxWorks image”的工程，BSP 選擇pentium;

　(2) 選擇需要的VxWorks組件

如圖10，在這個例子中我們需要包括兩個重要的組件：Telnet server 和 Target shell。前者使我們可以通過Telnet登錄到VxWorks操作系統中;后者則可以讓我們通過命令行控制VxWorks系統。另外，需要把所有相關的選項都包含進去。

完成選擇后，即可開始編譯程序。到此我們已經生成了VxWorks的系統引導程序和運行時的代碼映象。在每次修改完系統的配置信息(如：config.h)后，都要重新創建一個工程來編譯VxWorks映象。將生成的名為“VxWorks”的文件復制到D:下。這個路徑是由上面我們所設置的DEFAULT_BOOT_LINE宏中的路徑參數決定的，必須保持二者一致。

2.4 創建引導軟盤

由于目標機從軟盤啟動，我們需要制作VxWorks引導磁盤，用于引導VxWorks操作系統映象。定位到C:tornado2.2targetconfigpcPentium目錄，插入已經格式化好的軟盤，運行：

mkboot a: bootrom

該命令將在軟盤上建立VxWorks系統引導分區，并將引導程序復制到軟盤上。

3. 建立調試環境

3.1配置FTP服務器

宿主機上的FTP服務器用于在系統成功引導后，下載VxWorks的運行時映象，最好使用Tornado開發環境自帶的FTP服務軟件。

如圖11，打開Tornado FTP Server，選擇“Security”菜單下的“Users/Rights”子菜單，創建User Name為“target”，修改“Home Directory”為“D:”(即DEFAULT_BOOT_LINE參數中所指定VxWorks映像目錄)，修改用戶名為“target”，對應密碼為“VxWorks”，點擊“Done”按鈕完成修改，FTP服務就啟動了。

　為了便于觀察引導程序是否從FTP上下載了VxWorks映像，最好打開FTP Server的日志功能。選擇“Logging”菜單下的“Logging Options”子菜單，其中除了“Winsock Calls”外，讓其他選項全都處于開啟狀態。保持FTP Server窗口處于打開狀態，即保證FTP服務器處于運行狀態。

虛擬機從軟盤啟動，接下來會下載服務器上的D:VxWorks映像，服務器的FTP會有相關的log，如圖12：

　圖12 FTP服務器

3.2 配置target server

如圖13，打開您的Tornado開發環境，選擇“Tools->Target Server->Configure”菜單，在“Description”中任意填寫一個名字，這里是“net00”;在“Available Back”中選擇“wdbrpc”，并在下面的IP地址框中填寫目標機的IP地址，這里是“192.168.80.254”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定);將“Target Server Properties”下拉框更改至“Core File and Symbols”，并在“File Path”一項中選擇您的映象的完整路徑，這里是“D:VxWorks”(由DEFAULT_BOOT_LINE參數決定)。

圖13 配置Target Server

完成以上兩項配置，如果目標機已經啟動，點擊“Launch”按鈕，就可以啟動Target Server了。

再回到Tornado開發環境，在工具條上的Target Server下拉框列表中選擇“192.168.80.169@host”。這時您會發現工具條中一些原先處于“禁用”狀態的工具按鈕，現在都已經處于“激活”狀態了。

試一試，我們打開TShell，并運行“i”命令察看目標機上當前運行的任務，效果如圖14：

　
　圖14 在TShell中運行命令

4. 編寫和調試應用程序

現在，編寫應用程序的所有條件已經完全具備了。我們來編寫一個簡單的應用。

如圖15，建立一個名為“test”的可下載的應用程序模塊：

圖15建立可下載的應用程序模塊

如圖16，注意工具鏈的選擇，應該為PENTIUMgnu：

圖16 選擇PENTIUMgnu工具鏈

這個時候工程中還一個文件都沒有，我們編寫一個簡單的程序：

以下是引用片段：
　　#include
　　void test(void)
　　{
　　int i = 0;
　　while(1)
　　{
　　printf ("%dt",i);
　　i++;
　　if(i==10000)
　　{
　　break;
　　}
　　}
　　}

　　編譯生成了test.out，下載到目標板，在TShell中運行test函數，效果如圖17。

　圖17 運行自己編寫的程序

下面我們以Run Task模式運行上述的test()函數，并設置在入口點即斷點，如圖18：

　圖18 運行test任務

此后，我們可以像使用任何其它的基層開發環境一樣在我們編寫的應用程序中進行所有如下的調試行為：

(1) 設置斷點

(2) 單步運行

(3) 察看變量

(4) 察看內存

(5) 察看寄存器

接下來，enjoy yourself in VxWorks!

附錄：軟件及驅動下載地址

VMware：

http://www.vmware.com/download/ws/

RamDiskNT 1.5：

http://soft.netnest.com.cn/downinfo/netnest1823.html