QNX实时操作系统学习笔记之嵌入式系统（一）
QNX实时操作系统学习笔记之嵌入式系统（一）
一、开发嵌入式系统概述
1.简介
本节将从整体的角度来介绍开发一个完整的基于Neutrino嵌入式系统的步骤，首先，将会看运行一个Neutrino系统所需要的部件。接下来会看这些部件和他们如何操作，最后，将会学习配置某些部分时要完成的步骤。
从软件的角度，当系统启动时下列流程将会发生：
（1）处理器开始从复位向量执行代码。初始化程序装载（IPL）会将OS镜像装载并传递控制到镜像中的startup程序。
（2）startup程序配置系统并传送控制到neutrino 微内核和进程管理器（procnto）。
（3）procnto模块装载附加的驱动和应用程序。
2.IPL的角色
软件执行的第一步便是装载OS镜像。这是由IPL来完成的。
IPL的初始化工作是以最简的方式配置硬件来产生一个允许startup，进而是neutrino微内核程序执行的环境。特别地，这个工作至少包含以下几步：
（1）从复位向量开始执行；
（2）配置存储控制器，这可能会包含配置芯片选择和（或）PCI控制器（Peripheral Component Interconnect，一种由 英特尔（ Intel）公司1991年推出的用于定义局部 总线的标准）。
（3）配置时钟。
（4）设置一个堆栈来允许IPL库执行OS认证和启动（镜像下载、扫描、启动、jump）
3.IPL的热启动和冷启动
IPL有两种类型：热启动和冷启动。热启动IPL是由ROM监视器或BIOS激活，硬件和处理器配置的某些部分已经被启动。
另一方面，冷启动IPL则是在任何部分都没有被配置或初始化——CPU和硬件刚刚被复位。一般来说，在热启动中需要完成的工作都是在冷启动IPL中的子集。
在最后我们将讨论IPL的责任，并描述在镜像的第一个部件启动前全部就绪的状态。根据目标的设计，要完成的步骤可能从0（例如，在一个带有ROM监视器或BIOS的标准平台上运行，并且已经通过disk或network boot完成了IPL热启动；引导ROM已经完成了下面描述的工作）到很多步（例如， 一个不带有firmware[泛指直接控制硬件的软件，也指固化在硬件中用来控制硬件的软件，比如BIOS]的嵌入式系统，镜像是在一个特定的硬件中存储）。
最后的状态（镜像的第一个部件开始运行前）具有以下的特性：
（1）存储控制器已经配置为允许系统中的存储进入。
（2）最基本的硬件配置已经完成（例如，芯片选择EPROM的信息已经被程序化）
（3）整个镜像已经被放在线性可寻址的存储空间。
（4）镜像的第一部分，startup，现在应该在RAM中（注意到startup代码相对很小，当startup代码完成后RAM区域将被重新声明）
不管是IPL或BIOS/ROM监控器代码都负责将镜像传送到线性可寻址存储空间。OS镜像必须以一种IPL或ROM监视器代码能够理解的方式开发，以使它能知道该把镜像放在哪里，镜像装载之后应该把控制送到什么地址。
例如，一个IBM PC BIOS系统通常装载一个原始的二进制，然后跳转到第一个地址。其他的系统可能接受ELF格式【 Executable and Linkable Format，可执行连接格式，是UNIX系统实验室（ USL）作为应用程序二进制接口（Application Binary Interface， ABI）而开发和发布的。扩展名为elf。】的镜像，用ELF头文件信息来决定镜像和启动地址放置的位置。参考你的硬件资料确定IPL可以接受的镜像格式。
一旦IPL已经装载了镜像，整个镜像已经处于线性可寻址存储空间，控制也被传送到startup程序。此时，IPL已经完成了使命。
4.startup程序的角色：
软件执行的第二步是配置处理器和硬件，检测系统资源，启动OS。这些是由startup程序完成的。
当IPL完成了基本的最小配置，使系统到一个startup程序可以运行的状态，startup程序的任务是结束配置。如果IPL检测到不同的资源，它可能与startup程序交流这个信息（这样它就不会重复检测相同的资源）。
为了使neutrino能够尽量可配置，我们已经使startup程序可以编写基本定时器 、中断控制器、缓存控制器等等程序。它也可以提供kernel callouts，它们是内核可以调用来执行硬件具体化功能的代码片段。例如，当一个硬件中断被激发，代码的一些片段必须决定中断源，而另一些代码片段则必须能清除中断源。
注意到startup程序不会配置串口波特率之类的东西。它也不会初始化标准周边设备，例如以太网控制器或EIDE硬件disk控制器——这些都留给驱动稍后启动以后来完成。
一旦startup代码初始化了系统，并把系统信息放在系统页（一个内核稍后会查看的专用的存储片）后，startup代码负责将控制传送到neutrino内核和过程管理器，它们将完成最后的装载步骤。
5.startup的责任：
看一下startup代码的完整的任务和流程：
（1）复制并解压镜像，如果必要的话。如果镜像不在RAM中的最终目的地址，startup代码就将它复制到那。如果镜像没有被解压，startup代码会自动解压。
（2）配置硬件。这儿的主要任务是启动能够决定系统配置的最小配置，然后执行系统配置。
（3）决定系统的配置。根据嵌入式系统的特性，可能希望动态地决定startup中的配置，或者（万一是一个深度的嵌入式系统）仅仅是hardcode【 指将可变变量用一个固定值来代替的方法】配置信息。
抛开信息源不管，startup代码的配置部分需要储存这个信息到一个定义好的数据结构中，之后，当OS启动时会查看它们。所谓系统页区域，这些数据结构包含以下信息：
存储配置、硬件设备配置、处理器类型、时间。
确定callouts：为了使neutrino内核更加轻便（不仅是对不同的处理器，也是对这些处理器不同的硬件配置），一些callouts必须由startup代码提供。不是所有的callouts都要求你写代码。以下的callouts函数的类由neutrino提供：debug接口、clock/timer接口、中断控制器接口、缓冲控制器接口、电源管理器、miscellaneous（多种多样的，混杂的）。
（4）启动内核。startup的最后一步是启动操作系统。
startup库：QNX支持的处理器和开发板在bsp_working_dir/src/hardware/startup/boards中找到，或者是QNX文档、BSP文档，如果使用QNX支持的处理器，将会省掉大量的代码编写工作。如果没有标准的嵌入式系统，可以找到最接近的资源，clone合适的功能。
6.Neutrino的角色：
软件执行的第三步是启动你想要运行的任何可执行程序。OS通过读取和处理存在startup脚本中的信息来完成这个工作，这些信息是在镜像中保存的一系列命令。
基本上，OS处理startup脚本文件，它们看起来像是shell脚本。在startup脚本文件中，最好是规定好哪些可执行文件将要被启动以及它们的启动顺序，它们运行时的命令行选项等等。
7.硬件因素：
从硬件的角度来看，以下的部分组成了系统：处理器、初始化和配置信息的源文件、存储媒介、I/O设备。
处理器的选择：支持的处理器家族有ARM(包括XScale)、MIPS、PowerPC、SH-4、x86.
初始化和配置信息的源文件:当处理器启动（重启）时，必须能够执行指令。这是通过把一些不挥发的存储媒介放在处理器复位向量完成的。防燃，可以选择由谁来提供这个特殊的软件片：
QNX软件系统——选择了一个标准的受支持硬件平台。
第三方——一个BIOS或者ROM监视器或者
你——一个定制的IPL程序。
通常来说，一个最简单的开发系统就是做最少的工作量。如果你已经这样完成了工作，说明你用的是标准的受支持的硬件平台，这样只需要你完成少量的工作。如果第三方只提供BIOS或ROM监视器，你的任务就要增加了，需要写一个软件来启动OS，这就是之前提到的热启动，因为系统已经热身完成，各种设备已经被配置并初始化。如果是你定制一个IPL，你的任务就更多了，要处理硬件的配置。这是冷启动，因为你要做所有的初始化和配置工作。
文件系统的选择：已经弄清楚如何启动系统，现在仍然需要决定系统的存储能力：
不需要；只读；读写不长久的；读写持久。
如果你不需要任何附加的存储器（也就是说你的系统完全是自包含而且运行以后不需要进入其他文件），到这你的工作就完成了。
如果需要只读存储器，最简单的文件系统脚本要求进入只读文件。没有工作需要你完成，OS自己会提供这个功能，只需要把你想执行或进入的问津放入镜像，OS便可以进入他们。
如果需要写文件，存储器也不必持久（也就是说它不需要经受复位），这个工作OS也会帮你完成。
Neutrino允许系统中的RAM被用作RAM-disk，没有任何附加的代码或设备驱动。这个RAM-disk通过进程管理器完整，只需要建立一个进程管理器链接（用ln命令）。例如，要安装/tmp路径作为RAM-disk，执行下列的命令：
ln -Ps /dev/shmem/tmp
或者将下面一行放在buildfile中：[type=link] /tmp=/dev/shmem
这条指令引导进程管理器把任何文件安置在/tmp下，并且使它们能够共享存储子系统。例如/tmp/AAA4533.tmp成为对/dev/shmem/AAA4533.tmp的请求。
如果是要求存储器必须能够经受掉电或处理器复位，就需要运行一个附加的驱动。我们提供了这些文件系统的类：flash文件系统、rotating（循环）disk文件系统、网络文件系统。以上这些文件系统都需要附加的驱动。附录的sample buildfiles讲述了如何建立这些文件系统驱动。
flash文件系统和媒介：flash驱动可以接口到全组合总线宽度（8，16，32位）的flsh存储设备(启动程序块块和常规)和插入因素。
循环媒介和文件系统：目前neutrino支持几种文件系统，包括DOS,Linux，Macintosh，HFS,HFS Plus，Windows
NT，QNX4,power-safe，universal disk format（UDF）等等。许多面向程序块的设备驱动可以获得。
网络媒介和文件系统：可以使某个设备中的文件爱你系统进入到别的设备的文件系统中。
I/O设备：串/并行口；网络接口；数据获取/产生；多媒体。
在开发时，想法的证明应该是基于以下问题：
1.需要多少内存？
2.CPU需要的运行速度？
3.现有的标准硬件是否能满足？
硬件设计：参考附录system design consideration
本节将从整体的角度来介绍开发一个完整的基于Neutrino嵌入式系统的步骤，首先，将会看运行一个Neutrino系统所需要的部件。接下来会看这些部件和他们如何操作，最后，将会学习配置某些部分时要完成的步骤。
从软件的角度，当系统启动时下列流程将会发生：
（1）处理器开始从复位向量执行代码。初始化程序装载（IPL）会将OS镜像装载并传递控制到镜像中的startup程序。
（2）startup程序配置系统并传送控制到neutrino 微内核和进程管理器（procnto）。
（3）procnto模块装载附加的驱动和应用程序。
2.IPL的角色
软件执行的第一步便是装载OS镜像。这是由IPL来完成的。
IPL的初始化工作是以最简的方式配置硬件来产生一个允许startup，进而是neutrino微内核程序执行的环境。特别地，这个工作至少包含以下几步：
（1）从复位向量开始执行；
（2）配置存储控制器，这可能会包含配置芯片选择和（或）PCI控制器（Peripheral Component Interconnect，一种由 英特尔（ Intel）公司1991年推出的用于定义局部 总线的标准）。
（3）配置时钟。
（4）设置一个堆栈来允许IPL库执行OS认证和启动（镜像下载、扫描、启动、jump）
3.IPL的热启动和冷启动
IPL有两种类型：热启动和冷启动。热启动IPL是由ROM监视器或BIOS激活，硬件和处理器配置的某些部分已经被启动。
另一方面，冷启动IPL则是在任何部分都没有被配置或初始化——CPU和硬件刚刚被复位。一般来说，在热启动中需要完成的工作都是在冷启动IPL中的子集。
在最后我们将讨论IPL的责任，并描述在镜像的第一个部件启动前全部就绪的状态。根据目标的设计，要完成的步骤可能从0（例如，在一个带有ROM监视器或BIOS的标准平台上运行，并且已经通过disk或network boot完成了IPL热启动；引导ROM已经完成了下面描述的工作）到很多步（例如， 一个不带有firmware[泛指直接控制硬件的软件，也指固化在硬件中用来控制硬件的软件，比如BIOS]的嵌入式系统，镜像是在一个特定的硬件中存储）。
最后的状态（镜像的第一个部件开始运行前）具有以下的特性：
（1）存储控制器已经配置为允许系统中的存储进入。
（2）最基本的硬件配置已经完成（例如，芯片选择EPROM的信息已经被程序化）
（3）整个镜像已经被放在线性可寻址的存储空间。
（4）镜像的第一部分，startup，现在应该在RAM中（注意到startup代码相对很小，当startup代码完成后RAM区域将被重新声明）
不管是IPL或BIOS/ROM监控器代码都负责将镜像传送到线性可寻址存储空间。OS镜像必须以一种IPL或ROM监视器代码能够理解的方式开发，以使它能知道该把镜像放在哪里，镜像装载之后应该把控制送到什么地址。
例如，一个IBM PC BIOS系统通常装载一个原始的二进制，然后跳转到第一个地址。其他的系统可能接受ELF格式【 Executable and Linkable Format，可执行连接格式，是UNIX系统实验室（ USL）作为应用程序二进制接口（Application Binary Interface， ABI）而开发和发布的。扩展名为elf。】的镜像，用ELF头文件信息来决定镜像和启动地址放置的位置。参考你的硬件资料确定IPL可以接受的镜像格式。
一旦IPL已经装载了镜像，整个镜像已经处于线性可寻址存储空间，控制也被传送到startup程序。此时，IPL已经完成了使命。
4.startup程序的角色：
软件执行的第二步是配置处理器和硬件，检测系统资源，启动OS。这些是由startup程序完成的。
当IPL完成了基本的最小配置，使系统到一个startup程序可以运行的状态，startup程序的任务是结束配置。如果IPL检测到不同的资源，它可能与startup程序交流这个信息（这样它就不会重复检测相同的资源）。
为了使neutrino能够尽量可配置，我们已经使startup程序可以编写基本定时器 、中断控制器、缓存控制器等等程序。它也可以提供kernel callouts，它们是内核可以调用来执行硬件具体化功能的代码片段。例如，当一个硬件中断被激发，代码的一些片段必须决定中断源，而另一些代码片段则必须能清除中断源。
注意到startup程序不会配置串口波特率之类的东西。它也不会初始化标准周边设备，例如以太网控制器或EIDE硬件disk控制器——这些都留给驱动稍后启动以后来完成。
一旦startup代码初始化了系统，并把系统信息放在系统页（一个内核稍后会查看的专用的存储片）后，startup代码负责将控制传送到neutrino内核和过程管理器，它们将完成最后的装载步骤。
5.startup的责任：
看一下startup代码的完整的任务和流程：
（1）复制并解压镜像，如果必要的话。如果镜像不在RAM中的最终目的地址，startup代码就将它复制到那。如果镜像没有被解压，startup代码会自动解压。
（2）配置硬件。这儿的主要任务是启动能够决定系统配置的最小配置，然后执行系统配置。
（3）决定系统的配置。根据嵌入式系统的特性，可能希望动态地决定startup中的配置，或者（万一是一个深度的嵌入式系统）仅仅是hardcode【 指将可变变量用一个固定值来代替的方法】配置信息。
抛开信息源不管，startup代码的配置部分需要储存这个信息到一个定义好的数据结构中，之后，当OS启动时会查看它们。所谓系统页区域，这些数据结构包含以下信息：
存储配置、硬件设备配置、处理器类型、时间。
确定callouts：为了使neutrino内核更加轻便（不仅是对不同的处理器，也是对这些处理器不同的硬件配置），一些callouts必须由startup代码提供。不是所有的callouts都要求你写代码。以下的callouts函数的类由neutrino提供：debug接口、clock/timer接口、中断控制器接口、缓冲控制器接口、电源管理器、miscellaneous（多种多样的，混杂的）。
（4）启动内核。startup的最后一步是启动操作系统。
startup库：QNX支持的处理器和开发板在bsp_working_dir/src/hardware/startup/boards中找到，或者是QNX文档、BSP文档，如果使用QNX支持的处理器，将会省掉大量的代码编写工作。如果没有标准的嵌入式系统，可以找到最接近的资源，clone合适的功能。
6.Neutrino的角色：
软件执行的第三步是启动你想要运行的任何可执行程序。OS通过读取和处理存在startup脚本中的信息来完成这个工作，这些信息是在镜像中保存的一系列命令。
基本上，OS处理startup脚本文件，它们看起来像是shell脚本。在startup脚本文件中，最好是规定好哪些可执行文件将要被启动以及它们的启动顺序，它们运行时的命令行选项等等。
7.硬件因素：
从硬件的角度来看，以下的部分组成了系统：处理器、初始化和配置信息的源文件、存储媒介、I/O设备。
处理器的选择：支持的处理器家族有ARM(包括XScale)、MIPS、PowerPC、SH-4、x86.
初始化和配置信息的源文件:当处理器启动（重启）时，必须能够执行指令。这是通过把一些不挥发的存储媒介放在处理器复位向量完成的。防燃，可以选择由谁来提供这个特殊的软件片：
QNX软件系统——选择了一个标准的受支持硬件平台。
第三方——一个BIOS或者ROM监视器或者
你——一个定制的IPL程序。
通常来说，一个最简单的开发系统就是做最少的工作量。如果你已经这样完成了工作，说明你用的是标准的受支持的硬件平台，这样只需要你完成少量的工作。如果第三方只提供BIOS或ROM监视器，你的任务就要增加了，需要写一个软件来启动OS，这就是之前提到的热启动，因为系统已经热身完成，各种设备已经被配置并初始化。如果是你定制一个IPL，你的任务就更多了，要处理硬件的配置。这是冷启动，因为你要做所有的初始化和配置工作。
文件系统的选择：已经弄清楚如何启动系统，现在仍然需要决定系统的存储能力：
不需要；只读；读写不长久的；读写持久。
如果你不需要任何附加的存储器（也就是说你的系统完全是自包含而且运行以后不需要进入其他文件），到这你的工作就完成了。
如果需要只读存储器，最简单的文件系统脚本要求进入只读文件。没有工作需要你完成，OS自己会提供这个功能，只需要把你想执行或进入的问津放入镜像，OS便可以进入他们。
如果需要写文件，存储器也不必持久（也就是说它不需要经受复位），这个工作OS也会帮你完成。
Neutrino允许系统中的RAM被用作RAM-disk，没有任何附加的代码或设备驱动。这个RAM-disk通过进程管理器完整，只需要建立一个进程管理器链接（用ln命令）。例如，要安装/tmp路径作为RAM-disk，执行下列的命令：
ln -Ps /dev/shmem/tmp
或者将下面一行放在buildfile中：[type=link] /tmp=/dev/shmem
这条指令引导进程管理器把任何文件安置在/tmp下，并且使它们能够共享存储子系统。例如/tmp/AAA4533.tmp成为对/dev/shmem/AAA4533.tmp的请求。
如果是要求存储器必须能够经受掉电或处理器复位，就需要运行一个附加的驱动。我们提供了这些文件系统的类：flash文件系统、rotating（循环）disk文件系统、网络文件系统。以上这些文件系统都需要附加的驱动。附录的sample buildfiles讲述了如何建立这些文件系统驱动。
flash文件系统和媒介：flash驱动可以接口到全组合总线宽度（8，16，32位）的flsh存储设备(启动程序块块和常规)和插入因素。
循环媒介和文件系统：目前neutrino支持几种文件系统，包括DOS,Linux，Macintosh，HFS,HFS Plus，Windows
NT，QNX4,power-safe，universal disk format（UDF）等等。许多面向程序块的设备驱动可以获得。
网络媒介和文件系统：可以使某个设备中的文件爱你系统进入到别的设备的文件系统中。
I/O设备：串/并行口；网络接口；数据获取/产生；多媒体。
在开发时，想法的证明应该是基于以下问题：
1.需要多少内存？
2.CPU需要的运行速度？
3.现有的标准硬件是否能满足？
硬件设计：参考附录system design consideration