基于VxWorks的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐松林　馮英

摘 要：文章在對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述的基礎(chǔ)上，分析了VxWorks操作系統(tǒng)的突出特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用軟件的維護(hù)等幾個(gè)嵌入式系統(tǒng)需要注意的方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：VxWorks操作系統(tǒng)；嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境

1 引言

嵌入式系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及半導(dǎo)體技術(shù)等技術(shù)為支撐，對(duì)系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的應(yīng)用功能而將計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子科學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)等科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)核小、功能特定、對(duì)技術(shù)要求較高、實(shí)時(shí)性較高、創(chuàng)新性較高、系統(tǒng)較精簡(jiǎn)等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)工程、航空、船舶、汽車、軍事設(shè)備以及通信等領(lǐng)域。對(duì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)而言，嵌入式系統(tǒng)采用的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)很大程度上決定了該系統(tǒng)的可靠性，一些常用的嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[2]主要有VxWorks操作系統(tǒng)、QNX操作系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)、PSOS操作系統(tǒng)、Plus操作系統(tǒng)以及Nucleus操作系統(tǒng)等，由于VxWorks具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，因此本文操作系統(tǒng)主要采用美國(guó)Windriver公司開(kāi)發(fā)的VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要以386EX CPU為核心，該CPU除了包含定時(shí)器等常規(guī)的接口之外還包含了一個(gè)軍用的可靠性較高的外部接口。

2 VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)

美國(guó)Windriver公司的VxWorks操作系統(tǒng)是一個(gè)較為優(yōu)秀可靠的操作系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的不斷改進(jìn)和發(fā)展，其在嵌入式系統(tǒng)方面的突出優(yōu)勢(shì)主要可以概括為以下幾個(gè)方面：⑴支持較多的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如ANSIC和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，它可以為主機(jī)和分機(jī)之間提供一種無(wú)縫連接的工作環(huán)境。⑵內(nèi)核較小，VxWorks的微內(nèi)核設(shè)計(jì)使其降低系統(tǒng)消耗的內(nèi)存并加速對(duì)外部指令的反應(yīng)和處理。⑶接口資源豐富，VxWorks的有著數(shù)量巨大的接口資源和豐富的第三方產(chǎn)品為其廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。⑷高可移植性，VxWorks支持POWERPC CPU、X86 CPU、MIPS CPU以及ARM CPU等幾乎現(xiàn)有的全部CPU系列，其可適應(yīng)于較多種類的硬件平臺(tái)。⑸Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境[2]，VxWorks的Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境是嵌入式最新一代的特別優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3 基于VxWorks的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件驅(qū)動(dòng)層、中間件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層四大部分組成。在設(shè)計(jì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，一般主要對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)，還需要注意所設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可維護(hù)性，因此本部分主要介紹硬件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用軟件的維護(hù)三部分內(nèi)容。

3.1 驅(qū)動(dòng)層的開(kāi)發(fā)

VxWorks系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)層的開(kāi)發(fā)主要包括BSP的設(shè)計(jì)、通用接口的設(shè)計(jì)和專用接口的設(shè)計(jì)等三個(gè)方面的設(shè)計(jì)。VxWorks系統(tǒng)的BSP兼容性較好，主要負(fù)責(zé)對(duì)硬件在上電時(shí)初始化，是VxWorks用來(lái)對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行訪問(wèn)。BSP文件包主要包含：源文件，頭文件，make文件以及導(dǎo)出文件和驅(qū)動(dòng)模塊。

通用標(biāo)準(zhǔn)接口的驅(qū)動(dòng)函數(shù)一般是系統(tǒng)庫(kù)自帶的，正常情況下是不需要進(jìn)行設(shè)置的，但是有時(shí)存在通用借口的驅(qū)動(dòng)參數(shù)與使用的硬件環(huán)境不兼容，這時(shí)就必須通過(guò)使用ar-d命令將不兼容模塊從文件庫(kù)中刪掉，再將所使用的硬件驅(qū)動(dòng)源程序進(jìn)行復(fù)制，在Makefile中利用MACH_EXTRA指令將硬件導(dǎo)入到最終的VxWorks映像文件中。在硬件中如果使用了專用接口，這時(shí)則需要對(duì)專用接口進(jìn)行自行編制驅(qū)動(dòng)程序。編制程序之后，需要在在Makefile中利用MACH_EXTRA指令將專用設(shè)備模塊導(dǎo)入到最終的VxWorks映像文件中。

3.2 應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)

Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境是VxWorks 操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，因此應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)主要的Tornado環(huán)境中進(jìn)行完成[4]。開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序會(huì)因?yàn)樗鶓?yīng)用的場(chǎng)合有差異而有較大的不同，在Tornado環(huán)境開(kāi)發(fā)時(shí)主要需要注意對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分、確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)以及多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行通訊等問(wèn)題。例如：應(yīng)該賦予系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性、運(yùn)行頻率等有要求的軟件應(yīng)用較高的優(yōu)先級(jí)；復(fù)雜任務(wù)可能會(huì)溢出堆棧，因此在調(diào)試軟件時(shí)，應(yīng)測(cè)試堆棧空間的剩余量。

3.3 應(yīng)用軟件的維護(hù)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件很多是在ROM中固化，因此對(duì)應(yīng)用軟件的維護(hù)有時(shí)較為困難。本文此處主要介紹在VxWorks操作系統(tǒng)中的對(duì)軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式。

眾所周知，Tornado環(huán)境一般可以為嵌入式操作系統(tǒng)提供源文件[5]，在使用TrueFFS文件系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)sysTffs.c文件和xxxMTD.c文件進(jìn)行更新。在文件系統(tǒng)構(gòu)建以后，可以導(dǎo)入TrueFFS文件系統(tǒng)的宏定義到Config.n中。

當(dāng)軟件需要在軌維護(hù)，可以通過(guò)特定的外部接口把所需要更新的新代碼導(dǎo)入至目標(biāo)機(jī)，利用新代碼來(lái)替代舊的文件代碼，最后在重新啟動(dòng)系統(tǒng)之后會(huì)對(duì)軟件進(jìn)行自動(dòng)更新。如果當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的配置發(fā)生了變化之后，則要求用戶對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用軟件進(jìn)行更新和維護(hù)，TrueFFS文件系統(tǒng)中的MTDS模塊可以為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的維護(hù)提供接口。

[參考文獻(xiàn)]

[1]VxWorks與嵌入式軟件開(kāi)發(fā)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]Barbalace A，Luchetta A，Manduchi G，et al.Performance comparison of VxWorks，Linux， RTAI and Xenomai in a hard real-time application[C].Real-Time Conference，2007 15th IEEE-NPSS.IEEE，2007：1-5.

[3]祥營(yíng)，桂枝，柏.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado[M].中國(guó)電力出版社，2002.

[4]王才善，陳光武，曠文珍，等.基于VxWorks的實(shí)時(shí)多任務(wù)程序設(shè)計(jì)機(jī)制分析[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2009（5）：12-15.

[5]戴婭，何亦征，白英彩.基于VxWorks多任務(wù)的無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2007，24（9）：159-161.