嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口課件

劉健培嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信研究中心嵌入式系統(tǒng)

軟硬件接口Bootloader、驅(qū)動(dòng)、BSP

嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口本節(jié)內(nèi)容硬件平臺(tái)(S3C2440)BSP操作系統(tǒng)(UCOS)應(yīng)用程序(協(xié)議)BootloaderDeviceDriverDeviceDriverDeviceDriverDeviceDriver二進(jìn)制運(yùn)行接口，ABIWHY？功能分化：啟動(dòng)控制硬件支持軟件模型嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口從軟件開發(fā)角度看板級(jí)硬件硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成的抽象從硬件系統(tǒng)抽象出軟硬件接口信息，便于軟件開發(fā)人員開發(fā)軟件在嵌入式硬件系統(tǒng)中，軟件表現(xiàn)為程序存儲(chǔ)器中的二進(jìn)進(jìn)制代碼（即程序），不管外設(shè)的功能和硬件形式如何，對(duì)軟件來說，可操作的只有：寄存器、存儲(chǔ)器、IO接口。一般RISC處理器都是統(tǒng)一編址的，所以最終操作的只有地址。硬件開發(fā)板實(shí)物提煉地址軟件C語言頭文件嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口TQ2440硬件開發(fā)板嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口2440addr.h嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口從軟件開發(fā)角度看存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器地址空間分布圖存儲(chǔ)芯片信息類型、基址、大小、片選、配置參數(shù)存儲(chǔ)器控制寄存器MMU嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口從軟件開發(fā)角度看外設(shè)指令能訪問到什么IO管腳配置寄存器設(shè)備寄存器組數(shù)據(jù)、控制、狀態(tài)寄存器地址獨(dú)立編址（I/O端口方式）與統(tǒng)一編址（I/O內(nèi)存方式）一個(gè)地址可能對(duì)應(yīng)多個(gè)寄存器有些地址可以動(dòng)態(tài)配置（如PCI）指令如何訪問外設(shè)外設(shè)操作方式與流程規(guī)范與協(xié)議CPU與外設(shè)交互方式輪詢、中斷、DMA數(shù)字電路外部設(shè)備電電光機(jī)械轉(zhuǎn)換部分控制部分控制電路控制寄存器數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)寄存器外設(shè)接口CPU讀/寫嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口從軟件開發(fā)角度看處理器ARMISA異常與中斷處理方式ARMABI（API？）嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口ARMABIAPI與ABIAPI：ApplicationProgrammingInterface，應(yīng)用程序編程接口ABI：ApplicationBinaryInterface，應(yīng)用程序二進(jìn)制接口EABI：EmbeddedApplicationBinaryInterface，嵌入式應(yīng)用程序二進(jìn)制接口CPUtoolchainAPPLIBsOSAPICompilerLinkerLoaderDebuggerABISourcecodeBinarycodecompilerunAPI定義了源代碼和庫之間的接口，因此同樣的代碼可以在支持這個(gè)API的任何系統(tǒng)中編譯，ABI允許編譯好的目標(biāo)代碼在使用兼容ABI的系統(tǒng)中無需改動(dòng)就能運(yùn)行（直到現(xiàn)在還沒有很成功的例子）。EABI指定了文件格式、數(shù)據(jù)類型、寄存器使用、棧幀組織方式和函數(shù)參數(shù)傳遞等的標(biāo)準(zhǔn)約定。支持EABI的編譯器創(chuàng)建的目標(biāo)文件可以和使用類似編譯器產(chǎn)生的代碼兼容，這樣允許開發(fā)者鏈接一個(gè)由不同編譯器產(chǎn)生的庫。EABI與關(guān)于通用計(jì)算機(jī)的ABI的主要區(qū)別是應(yīng)用程序代碼中允許使用特權(quán)指令，不需要?jiǎng)討B(tài)鏈接（有時(shí)是禁止的），和更緊湊的堆棧幀組織用來節(jié)省內(nèi)存。廣泛使用EABI的有PowerPC和ARM.嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口ARMEABIARM程序調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)——AAPCS（ProcedureCallStandardfortheARMArchitecture）ARM的C++ABI——CPPABI（C++ABIfortheARMArchitecture）ARM異常處理的ABI——EHABI（TheExceptionHandlingABIfortheARMArchitecture）ARM的ELF二進(jìn)制文件格式——AAELF（ELFfortheARMArchitecture）ARM的DWARF二進(jìn)制文件格式——AADWARF（DWARFfortheARMArchitecture）ARM的運(yùn)行態(tài)ABI——RTABI（TheRun-timeABIfortheARMArchitecture）ARM的C庫ABI——CLIBABI（TheCLibraryABIfortheARMArchitecture）ARMABI嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口系統(tǒng)初始化過程指令執(zhí)行前硬件初始化系統(tǒng)上電，執(zhí)行內(nèi)部初始固碼微程序（如果有），設(shè)置處理器上電默認(rèn)工作狀態(tài)，最后從復(fù)位向量處開始執(zhí)行硬件初始化片級(jí)初始化（設(shè)置微處理器執(zhí)行狀態(tài)）板級(jí)初始化（配置與初始化相關(guān)外設(shè)）軟件初始化操作系統(tǒng)執(zhí)行前初始化初始化OS所需內(nèi)存等資源、加載OS、傳遞參數(shù)、跳轉(zhuǎn)操作系統(tǒng)組件初始化中斷、定時(shí)器、任務(wù)、內(nèi)存管理等等應(yīng)用程序執(zhí)行前初始化加載應(yīng)用程序，建立應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序入口

CPU初始化

目標(biāo)板初始化系統(tǒng)初始化啟動(dòng)任務(wù)初始化嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口Bootloader=Boot+LoaderBoot處理器復(fù)位后運(yùn)行的第一個(gè)軟件，嚴(yán)重硬件相關(guān)早期硬件初始化（CPU及板級(jí)資源）為操作系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備軟硬件環(huán)境Loader定位OS（OS在哪兒？）載入OS（可能要校驗(yàn)和解壓縮。載入到哪兒？）提供操作系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)移交控制權(quán)給OS內(nèi)核其余功能由程序員根據(jù)需求自行控制，一般夠用即可如自檢、命令行、調(diào)試支持、燒寫flash、遠(yuǎn)程更新等嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口Bootloader的前世今生來自哪兒？主機(jī)端的源代碼芯片廠商或者開發(fā)板廠商提供一部分，操作系統(tǒng)可能提供一部分對(duì)應(yīng)CPU的開發(fā)環(huán)境（編譯工具鏈）匯編與鏈接腳本放在哪兒？ROM、EEPROM、NorFLASH、NandFLashSD/MMC/CF卡RAM、SDRAM怎么放？JTAG仿真器/BDM等外部燒寫器固化的loader，與主機(jī)通過串口/USB/網(wǎng)口等通信獲取bootloader怎么被執(zhí)行？固定的復(fù)位向量地址調(diào)試時(shí)仿真器指定地址執(zhí)行完后怎么辦？不走回頭路發(fā)生異常跳回bootloader嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口Bootloader常設(shè)計(jì)成支持2種模式啟動(dòng)加載（Bootloading）模式自主模式，自動(dòng)從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將OS加載到RAM中運(yùn)行，無用戶介入適用于產(chǎn)品發(fā)布階段下載（Downloading）模式從主機(jī)下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像暫存目標(biāo)機(jī)RAM中，最終存在目標(biāo)機(jī)的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中可燒錄bootloader本身適用于開發(fā)階段嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口SingleStage還是Multi-Stage？為更好的可移植性，啟動(dòng)過程通常分為stage1和stage2兩部分Stage1+stage2劃分原則ROM+RAM匯編+C體系結(jié)構(gòu)相關(guān)+體系結(jié)構(gòu)無關(guān)位置無關(guān)+位置相關(guān)嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口Bootloader設(shè)計(jì)注意軟件運(yùn)行需要硬件和軟件資源，Bootloader需要的每種資源在使用前都必須進(jìn)行初始化并完成資源分配DRAM控制器DRAM是內(nèi)存資源，DRAM芯片需要專門的硬件控制權(quán)支持讀寫周期Flash與RAMBootloader要保存在非易失性存儲(chǔ)器中（如Flash、磁盤等），但是常又要將自身載入到RAM中運(yùn)行映像復(fù)雜需要按照與處理器啟動(dòng)順序兼容的格式組織啟動(dòng)代碼，這需要開發(fā)人員通過鏈接器描述文件（ld腳本）指定二進(jìn)制映像缺少執(zhí)行上下文高級(jí)語言程序需要預(yù)先建立執(zhí)行環(huán)境（如：C程序調(diào)用需要用到堆棧，需要RAM存儲(chǔ)臨時(shí)變量；C庫需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配等）啟動(dòng)時(shí)代碼是放在非易失性存儲(chǔ)器中的，也沒有DRAM可用嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口2440init.s復(fù)位入口：bResetHandlerC程序入口：BLMain軟件流程關(guān)看門狗與中斷硬件寄存器初始化（LEDGPIO、PLL時(shí)鐘、內(nèi)存控制器）初始化各個(gè)mode堆棧指針設(shè)置IRQ中斷處理ISR入口指針數(shù)據(jù)區(qū)初始化（copydata段，清零bss段）調(diào)用C入口函數(shù)：BLMain嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)概念驅(qū)使硬件設(shè)備行動(dòng)（也有沒有硬件的虛擬驅(qū)動(dòng)）設(shè)備驅(qū)動(dòng)與底層硬件直接打交道，按照硬件設(shè)備的具體工作方式讀寫設(shè)備寄存器，完成設(shè)備的輪詢、中斷處理、DMA

通信，進(jìn)行物理內(nèi)存向虛擬內(nèi)存的映射，最終使設(shè)備按照上層軟件的要求工作，并實(shí)現(xiàn)上層需要的模型（如文件、流、socket、設(shè)備等）。設(shè)備驅(qū)動(dòng)連接軟件和硬件，會(huì)隨著軟件和硬件平臺(tái)的變化而變化，不同系統(tǒng)有不同的形態(tài)。嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口不基于OS的設(shè)備驅(qū)動(dòng)（非標(biāo)準(zhǔn)）基于OS的設(shè)備驅(qū)動(dòng)（標(biāo)準(zhǔn)）OS內(nèi)核2種類型驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序硬件設(shè)備設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序OSAPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)符合寄存器操作規(guī)范驅(qū)動(dòng)API符合寄存器操作規(guī)范嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)舉例在搜索led.c看看Linux將存儲(chǔ)器和外設(shè)分為3大類：字符設(shè)備；塊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用程序也可以直接通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口open()、write()、read()、close()等函數(shù)訪問字符設(shè)備和塊設(shè)備，通過socket接口訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用程序可以通過C庫函數(shù)fopen()、fwrite()、fread()、fclose()等訪問設(shè)備功能復(fù)雜設(shè)備（特別是總線，如PCI、USB）還有獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)分層體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)區(qū)分機(jī)制（提供什么能力）和策略（如何使用這些能力）編寫驅(qū)動(dòng)代碼使硬件可用,但不能強(qiáng)加特別的策略給用戶，將所有關(guān)于如何使用硬件的事情留給應(yīng)用程序阻塞與非阻塞，同步與異步安全與可靠性與內(nèi)核工作在同一地址空間并發(fā)與競爭中斷調(diào)試嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口并發(fā)與競爭發(fā)生時(shí)機(jī)只要并發(fā)的多個(gè)執(zhí)行單元訪問共享資源，就可能發(fā)生競爭。對(duì)稱多處理器（SMP）的多個(gè)CPU，使用共同的系統(tǒng)總線，共享外設(shè)和儲(chǔ)存器。單CPU內(nèi)進(jìn)程/線程/任務(wù)與搶占它的進(jìn)程/線程/任務(wù)中斷與進(jìn)程/線程/任務(wù)之間解決辦法保證對(duì)共享資源的互斥訪問臨界區(qū)中斷屏蔽原子操作加鎖自旋鎖讀寫自旋鎖順序鎖RCU鎖（Read-CopyUpdate，讀－拷貝－更新）信號(hào)量嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口BSP的概念BSP（BoardSupportPackages,板級(jí)支持包）是指針對(duì)具體的硬件平臺(tái)用戶編寫的的啟動(dòng)代碼和部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的集合。它所實(shí)現(xiàn)的功能包括初始化、提供部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)。最基本的BSP僅需要支持處理機(jī)復(fù)位、初始化、串口驅(qū)動(dòng)和必要時(shí)的時(shí)鐘中斷處理。這詞的來源最常被歸于風(fēng)河公司（WindRiverSystems）給它的VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)（大約從1988開始），不過現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的在業(yè)界使用。BSP的一般組成文件bootloader設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置文件嵌入式系統(tǒng)-軟硬件接口BSP的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)BSP和非標(biāo)準(zhǔn)BSPBSP非Polling原則，盡量使用