如何构建eCos嵌入式系统
作者姓名： 周永红 王玲玲
作者单位： 海军工程大学
引言
目前，嵌入式操作系统的种类 较多，其中比较流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。这些嵌入式操作系统在开放性、实用性以及性能等方面各有千秋，但大多数为商用产品。除了商用产品外，还有一些免费的嵌入式操作 系统，uClinux是其中比较流行的，而eCos则是另一个选择。嵌入式可配置操作系统eCos（Embedded Configureable Operating System）的特点是可配置性、可裁减性、可移植性和实时性。它的一个主要技术特色就是功能强大的配置系统，可以在源码级实现对系统的配置和裁减。与 Linux的配置和裁减相比，eCos的配置方法更清晰、更方便；且系统层次也比Linux清晰明了，移植和增加驱动模块更加容易。正是由于这些特性， eCos引起了越来越多的关注，同时也吸引越来越多的厂家使用eCos开发其新一代嵌入式产品。
eCos现在由Red Hat维护，可支持的处理器包括：ARM、StrongARM、XScale、SuperH、Intel X86、PowerPC、MIPS、AM3X、Motorola 68/Coldfire、SPARC、Hitachi H8/300H和NEC V850等。源代码及开发工具可在Red Hat的网站上免费下载，网页地址是http:/sources.redhat.com/ecos。
1 eCos的层次结构
eCos采用模块化设计，由不同的功能组件构成，eCos系统的层次结构如图1所示。
这种层次结构的最底层是硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer），简称为HAL，它负责对目标系统硬件平台进行操作和控制，包括对中断和例外的处理，为上层软件提供硬件操作接口。只需提供新硬件的抽象层， 就可以将整个eCos系统包括基于eCos的应用移植到新的硬件平台上。
2 构建eCos系统
构建eCos系统首先要搭建自己的硬件抽象层，然后创建驱动程序，之后就可以编制应用程序了。
3 硬件抽象层的移植
硬件抽象层分为三个不同的子模块：体系结构抽象层（Architecture HAL）、变体抽象层（Variant HAL）和平台抽象层（Platform HAL）。
体系结构抽象层。eCos所支持的不同处理器系列具有不同的体系结构，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等。体系结构抽象层对CPU的基本结构进行抽象和定义，此外它还包括中断的交付处理、上下文切换、CPU启动以及该类处理器结构的指令系统等。
变体抽象层指的是处理器在该处理器系列中所具有的特殊性，这些特殊性包括Cache、MMU、FPU等。eCos的变体抽象层就是对这些特殊性进行抽象和封装。
图1
平台抽象层是对当前系统的硬件平台进行抽象，包括平台的启动、芯片选择和配置、定时设备、I/O寄存器访问以及中断寄存器等。
硬件抽象层的这三个子模块之间没有明显的界线。对于不同的目标平台，这种区分具有一定的模糊性。例如，MMU和Cache可能在某个平台上属于体系结构 抽象层，而在另一个平台上则可能属于变体抽象层的范围；再比如，内存和中断控制器可能是一种片内设备而属于变体抽象层，也可能是片外设备而属于平台抽象 层。
eCos的移植通过这三个子模块来完成，即平台抽象层的移植、变体抽象层的移植和体系结构抽象层的移植。对一个新的体系结构来 说，其系统结构抽象层的建立相对来说比较困难。eCos支持大部分当前广泛使用的嵌入式CPU，已具有了支持各种体系结构的硬件抽象层。因此，eCos的 移植很少需要进行体系结构抽象层的编写。
4 平台抽象层的移植
一般来说，进行eCos开发时，移植的主要工作在于平台抽象层，这是由于eCos已实现了绝大多数流行嵌入式CPU的体系结构抽象层和变体抽象层。平台抽象层主要完成的工作包括：内存的布局、平台早期初始化、中断控制器以及简单串口驱动程序等。
构建一个新的平台系统，最简单的方法是利用eCos源码提供的具有相同体系结构和CPU型号的参考平台硬件抽象层，将其作为模板，复制并修改所有与新平 台相关的文件。若eCos没有这样的平台，则可用另一种体系结构或CPU型号的类似硬件抽象层作为模板。比如，eCos提供了以三星公司ARM CPU S3C4510b为核心的平台SNDS4110，当需要移植eCos到ARM CPU S3C44B0上时，这将是一个很好的起点。
移植工作最好是从RedBoot开始，实现的第一个目标是使RedBoot运行在新平台上。RedBoot是eCos自带的启动代码，它比eCos要简单，没有使用中断和线程机制，但包含了大部分最基本的功能。
建立目标平台的RedBoot通常按以下步骤进行（以构建S3C44b0的新平台为例）。
① 复制eCos源码中选定的参考平台，根据需要对目录及文件更名。更名的主要内容有：新平台的目录名、组件定义文件（CDL）、内存布局文件（MLT）、平台初始化的源文件和头文件
② 调整组件定义文件（CDL）选项。包括选项的名字、实时时钟/计数器、CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 变量、串口参数以及其他的一些选项。
③ 在顶层ecos.db文件中加入所需要的包，并增加对目标平台的描述。在最初，该目标平台的入口可以只包含硬件抽象层包，其他硬件支持包以后再加入。经过修改后，就可在eCos配置程序中选择新的平台进行配置。
④ 修改include/pkgconf中的内存布局（MLT）文件。按照新的硬件平台内存布局修改MLT文件。MLT文件对应每种启动类型有三个不同后缀的 文件：.h文件以及.ldi文件和mlt文件。手工修改时只需修改.h文件和.ldi文件，并保证两个文件同步修改。修改的主要内容有ROM的起始地址、 ROM的大小、RAM的起始地址和RAM的大小。
⑤ 修改平台的io宏定义。在include/plt_io.h文件中完成对平台的各种IO宏定义，包括各种CPU的系统配置寄存器、内存配置寄存器、串口配置寄存器、LCD配置寄存器、以太网配置寄存器等的I/O地址。
⑥ 修改平台的Cache代码。在include/hal_cache.h文件中修改有关Cache的宏定义。在开发初期，最好先将Cache关闭，等移植稳定后再打开。
⑦ 实现简单的串口驱动程序。串口的初始化、接收和发送在src/hal_diag.c文件完成。主要的函数如下：
cyg_hal_plf_serial_init_channel()，完成对某个串口的具体初始化工作；
cyg_hal_plf_serial_putc()，从串口发送一个字符；
cyg_hal_plf_serial_getc()，从串口接收一个字符；
cyg_hal_plf_serial_getc_nonblock()，以无阻塞的方式接收一个字符，即缓冲区中无数据时立即返回；
cyg_hal_plf_serial_isr()，串口中断服务程序；
cyg_hal_plf_serial_init()，调用cyg_hal_plf_serial_init_channel()函数初始化各串口，并向内核注册串口中断服务程序、串口的读写例程和配置例程。
⑧ 修改或增加平台初始化程序。平台初始化在3个文件文件中完成：src/s3c44b0_misc.c、include/hal_platform_setup.h和include/hal_platform_ints.h。
hal_platform_ints.h完成系统的中断宏定义。在不同的平台中设备数量和类型不同，中断的译码方式也不一致，需要根据具体情况作出调整。
hal_platform_setup.h主要完成系统硬件的初步配置，这里一般要在看门狗和中断关闭后，配置系统时钟频率、ROM和RAM的初始化参数。
s3c44b0_misc.c文件完成目标板的进一步初始化、中断处理、延时例程和操作系统时钟设置。
经过以上修改，底层的平台抽象层就基本完成了，这时可用eCos的配置工具生成RedBoot进行测试。
RedBoot测试成功后，说明平台已经能正确完成初始化操作，且串口驱动也能正常工作，接着要完成中断和Cache等测试工作。可利用一些多线程的小程序测试，检测时钟配置是否正确，同时也检测了中断能否正常工作。
5 驱动程序设计
平台抽象层完成后，接着要完成系统的设备驱动程序。eCos设备驱动程序的中断模块分为三个层次：中断服务程序ISR、中断滞后服务程序DSR和中断线程。ISR在响应中断时立即调用，DSR由ISR发出调用请求后调用，而中断线程为驱动程序的客户程序。
硬件中断在最短的时间内交付给ISR处理。硬件抽象层对硬件中断源进行译码并调用对应的中断ISR。ISR可以对硬件进行简单的操作，应使ISR的处理 时间尽量短。当ISR返回时，它可将自己的中断滞后服务程序DSR放入操作系统的任务调度中，DSR可以在不妨碍调度器正常工作时安全运行。大多数情况 下，DSR将在ISR执行完成后立即运行。
eCos设备驱动程序一般可分为三个部分，如图2所示。
图2
eCos的所用设备驱动程序都使用设备表入口来描述。使用宏DEVTAB_ENTRY()可生成设备表入口。其格式为：
DEVTAB_ENTRY(l, name, dep_name, handlers, init, lookup, priv)。
l：设备表入口的“C”标识符。
name：该设备的“C”字符串名字，在搜索设备时用到。
dep_name：对于一个层次设备，此参数是该设备下层设备的“C”字符串名字。
handlers：I/O函数句柄指针，由宏DEVIO_TABLE实现的。
init：当eCos处于初始化阶段时被调用的函数，该函数可以进行查找设备，对硬件进行设置等操作。
lookup：当调用cyg_io_lookup()函数对该设备进行操作时调用的函数。
priv：该设备驱动程序所需的专用数据。
设备入口中的句柄handlers包含了一组设备驱动程序接口函数，是设备函数表DEVIO_TAB的指针，DEVIO_TAB包含了一组函数的指针。设备I/O函数表通过DEVIO_TAB宏来定义，格式如下：
DEVIO_TABLE(l, write, read, get_config, set_config)。
l：改表的“C”标识符，即在DEVTAB_ENTRY中的handlers。
write：实现向设备传送数据。
read：实现从设备读取数据。
get_config：实现读取设备配置信息。
set_config：实现对设备的配置操作。
在eCos的初始化引导过程中，对系统中的所有设备调用其相应的init()函数（即DEVTAB_ENTRY宏注册的初始化函数），所有对设备的I/O操作通过handlers完成。
设备驱动程序包含如下内容(xxx：表示某种设备)。
◆ 用宏定义DEVIO_TABLE设备I/O函数表。
DEVIO_TABLE(xxx_handlers, // I/O函数句柄指针
xxx_write, // 写函数
xxx_read, // 读函数
xxx_get_config, // 读配置
xxx_set_config)// 设置配置
◆ 用宏定义DEVTAB_ENTRY注册设备入口。
DEVTAB_ENTRY(xxx_device, // 设备入口名
“/dev/xxx”, // 设备名，查找设备时用到
NULL,// 需用到的底层驱动，这里为空
xxx_handles, // I/O函数句柄指针
xxx_init, // 设备初始化函数
xxx_lookup, // 设备搜索
xxx_priv)// 设备专用数据指针
◆ 完成初始化函数xxx_init。完成对硬件的初始化，调用函数cyg_drv_interrupt_create建立中断对象，然后调用函数cyg_drv_interrupt_attach完成中断与硬件向量的连接。
◆ 完成中断服务程序。
◆ 完成中断滞后服务程序。
◆ 若有中断线程，则完成中断线程。
◆ 完成设备搜索函数xxx_lookup。
◆ 完成写函数xxx_write。
◆ 完成读函数xxx_read。
◆ 完成读配置函数x xx_get_config。
◆ 完成设置配置函数xxx_set_config。
结论
经过硬件平台的移植和驱动程序的编写，就可在此基础上开发各种应用程序了。
eCos具有非常优秀的可移植性；使用多任务抢占机制，具有最小的中断延迟；支持嵌入式系统所需的所有同步原语，提供包括设备驱动程序、内存管理、例外处理、标准C和数学库；提供各种开发嵌入式应用所需的工具，是开发嵌入式系统的强有力工具。
参考文献
1 eCos Users Guide. Red Hat Inc. & eCosCentric Ltd, 2003
2 eCos Tutorial. Red Hat Inc, 2002
3 eCos Reference Manual. Red Hat Inc & eCosCentric Ltd, 2003
4 Bart Veer, John Dallaway. The eCos Component Writers Guide. Red Hat Inc, 2003
5 Antony J. Massa, Embedded Software Development with eCos. Prentice Hall PTR, 2002
作者单位： 海军工程大学
引言
目前，嵌入式操作系统的种类 较多，其中比较流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。这些嵌入式操作系统在开放性、实用性以及性能等方面各有千秋，但大多数为商用产品。除了商用产品外，还有一些免费的嵌入式操作 系统，uClinux是其中比较流行的，而eCos则是另一个选择。嵌入式可配置操作系统eCos（Embedded Configureable Operating System）的特点是可配置性、可裁减性、可移植性和实时性。它的一个主要技术特色就是功能强大的配置系统，可以在源码级实现对系统的配置和裁减。与 Linux的配置和裁减相比，eCos的配置方法更清晰、更方便；且系统层次也比Linux清晰明了，移植和增加驱动模块更加容易。正是由于这些特性， eCos引起了越来越多的关注，同时也吸引越来越多的厂家使用eCos开发其新一代嵌入式产品。
eCos现在由Red Hat维护，可支持的处理器包括：ARM、StrongARM、XScale、SuperH、Intel X86、PowerPC、MIPS、AM3X、Motorola 68/Coldfire、SPARC、Hitachi H8/300H和NEC V850等。源代码及开发工具可在Red Hat的网站上免费下载，网页地址是http:/sources.redhat.com/ecos。
1 eCos的层次结构
eCos采用模块化设计，由不同的功能组件构成，eCos系统的层次结构如图1所示。
这种层次结构的最底层是硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer），简称为HAL，它负责对目标系统硬件平台进行操作和控制，包括对中断和例外的处理，为上层软件提供硬件操作接口。只需提供新硬件的抽象层， 就可以将整个eCos系统包括基于eCos的应用移植到新的硬件平台上。
2 构建eCos系统
构建eCos系统首先要搭建自己的硬件抽象层，然后创建驱动程序，之后就可以编制应用程序了。
3 硬件抽象层的移植
硬件抽象层分为三个不同的子模块：体系结构抽象层（Architecture HAL）、变体抽象层（Variant HAL）和平台抽象层（Platform HAL）。
体系结构抽象层。eCos所支持的不同处理器系列具有不同的体系结构，如ARM系列、PowerPC系列、MIPS系列等。体系结构抽象层对CPU的基本结构进行抽象和定义，此外它还包括中断的交付处理、上下文切换、CPU启动以及该类处理器结构的指令系统等。
变体抽象层指的是处理器在该处理器系列中所具有的特殊性，这些特殊性包括Cache、MMU、FPU等。eCos的变体抽象层就是对这些特殊性进行抽象和封装。
图1
平台抽象层是对当前系统的硬件平台进行抽象，包括平台的启动、芯片选择和配置、定时设备、I/O寄存器访问以及中断寄存器等。
硬件抽象层的这三个子模块之间没有明显的界线。对于不同的目标平台，这种区分具有一定的模糊性。例如，MMU和Cache可能在某个平台上属于体系结构 抽象层，而在另一个平台上则可能属于变体抽象层的范围；再比如，内存和中断控制器可能是一种片内设备而属于变体抽象层，也可能是片外设备而属于平台抽象 层。
eCos的移植通过这三个子模块来完成，即平台抽象层的移植、变体抽象层的移植和体系结构抽象层的移植。对一个新的体系结构来 说，其系统结构抽象层的建立相对来说比较困难。eCos支持大部分当前广泛使用的嵌入式CPU，已具有了支持各种体系结构的硬件抽象层。因此，eCos的 移植很少需要进行体系结构抽象层的编写。
4 平台抽象层的移植
一般来说，进行eCos开发时，移植的主要工作在于平台抽象层，这是由于eCos已实现了绝大多数流行嵌入式CPU的体系结构抽象层和变体抽象层。平台抽象层主要完成的工作包括：内存的布局、平台早期初始化、中断控制器以及简单串口驱动程序等。
构建一个新的平台系统，最简单的方法是利用eCos源码提供的具有相同体系结构和CPU型号的参考平台硬件抽象层，将其作为模板，复制并修改所有与新平 台相关的文件。若eCos没有这样的平台，则可用另一种体系结构或CPU型号的类似硬件抽象层作为模板。比如，eCos提供了以三星公司ARM CPU S3C4510b为核心的平台SNDS4110，当需要移植eCos到ARM CPU S3C44B0上时，这将是一个很好的起点。
移植工作最好是从RedBoot开始，实现的第一个目标是使RedBoot运行在新平台上。RedBoot是eCos自带的启动代码，它比eCos要简单，没有使用中断和线程机制，但包含了大部分最基本的功能。
建立目标平台的RedBoot通常按以下步骤进行（以构建S3C44b0的新平台为例）。
① 复制eCos源码中选定的参考平台，根据需要对目录及文件更名。更名的主要内容有：新平台的目录名、组件定义文件（CDL）、内存布局文件（MLT）、平台初始化的源文件和头文件
② 调整组件定义文件（CDL）选项。包括选项的名字、实时时钟/计数器、CYGHWR_MEMORY_LAYOUT 变量、串口参数以及其他的一些选项。
③ 在顶层ecos.db文件中加入所需要的包，并增加对目标平台的描述。在最初，该目标平台的入口可以只包含硬件抽象层包，其他硬件支持包以后再加入。经过修改后，就可在eCos配置程序中选择新的平台进行配置。
④ 修改include/pkgconf中的内存布局（MLT）文件。按照新的硬件平台内存布局修改MLT文件。MLT文件对应每种启动类型有三个不同后缀的 文件：.h文件以及.ldi文件和mlt文件。手工修改时只需修改.h文件和.ldi文件，并保证两个文件同步修改。修改的主要内容有ROM的起始地址、 ROM的大小、RAM的起始地址和RAM的大小。
⑤ 修改平台的io宏定义。在include/plt_io.h文件中完成对平台的各种IO宏定义，包括各种CPU的系统配置寄存器、内存配置寄存器、串口配置寄存器、LCD配置寄存器、以太网配置寄存器等的I/O地址。
⑥ 修改平台的Cache代码。在include/hal_cache.h文件中修改有关Cache的宏定义。在开发初期，最好先将Cache关闭，等移植稳定后再打开。
⑦ 实现简单的串口驱动程序。串口的初始化、接收和发送在src/hal_diag.c文件完成。主要的函数如下：
cyg_hal_plf_serial_init_channel()，完成对某个串口的具体初始化工作；
cyg_hal_plf_serial_putc()，从串口发送一个字符；
cyg_hal_plf_serial_getc()，从串口接收一个字符；
cyg_hal_plf_serial_getc_nonblock()，以无阻塞的方式接收一个字符，即缓冲区中无数据时立即返回；
cyg_hal_plf_serial_isr()，串口中断服务程序；
cyg_hal_plf_serial_init()，调用cyg_hal_plf_serial_init_channel()函数初始化各串口，并向内核注册串口中断服务程序、串口的读写例程和配置例程。
⑧ 修改或增加平台初始化程序。平台初始化在3个文件文件中完成：src/s3c44b0_misc.c、include/hal_platform_setup.h和include/hal_platform_ints.h。
hal_platform_ints.h完成系统的中断宏定义。在不同的平台中设备数量和类型不同，中断的译码方式也不一致，需要根据具体情况作出调整。
hal_platform_setup.h主要完成系统硬件的初步配置，这里一般要在看门狗和中断关闭后，配置系统时钟频率、ROM和RAM的初始化参数。
s3c44b0_misc.c文件完成目标板的进一步初始化、中断处理、延时例程和操作系统时钟设置。
经过以上修改，底层的平台抽象层就基本完成了，这时可用eCos的配置工具生成RedBoot进行测试。
RedBoot测试成功后，说明平台已经能正确完成初始化操作，且串口驱动也能正常工作，接着要完成中断和Cache等测试工作。可利用一些多线程的小程序测试，检测时钟配置是否正确，同时也检测了中断能否正常工作。
5 驱动程序设计
平台抽象层完成后，接着要完成系统的设备驱动程序。eCos设备驱动程序的中断模块分为三个层次：中断服务程序ISR、中断滞后服务程序DSR和中断线程。ISR在响应中断时立即调用，DSR由ISR发出调用请求后调用，而中断线程为驱动程序的客户程序。
硬件中断在最短的时间内交付给ISR处理。硬件抽象层对硬件中断源进行译码并调用对应的中断ISR。ISR可以对硬件进行简单的操作，应使ISR的处理 时间尽量短。当ISR返回时，它可将自己的中断滞后服务程序DSR放入操作系统的任务调度中，DSR可以在不妨碍调度器正常工作时安全运行。大多数情况 下，DSR将在ISR执行完成后立即运行。
eCos设备驱动程序一般可分为三个部分，如图2所示。
图2
eCos的所用设备驱动程序都使用设备表入口来描述。使用宏DEVTAB_ENTRY()可生成设备表入口。其格式为：
DEVTAB_ENTRY(l, name, dep_name, handlers, init, lookup, priv)。
l：设备表入口的“C”标识符。
name：该设备的“C”字符串名字，在搜索设备时用到。
dep_name：对于一个层次设备，此参数是该设备下层设备的“C”字符串名字。
handlers：I/O函数句柄指针，由宏DEVIO_TABLE实现的。
init：当eCos处于初始化阶段时被调用的函数，该函数可以进行查找设备，对硬件进行设置等操作。
lookup：当调用cyg_io_lookup()函数对该设备进行操作时调用的函数。
priv：该设备驱动程序所需的专用数据。
设备入口中的句柄handlers包含了一组设备驱动程序接口函数，是设备函数表DEVIO_TAB的指针，DEVIO_TAB包含了一组函数的指针。设备I/O函数表通过DEVIO_TAB宏来定义，格式如下：
DEVIO_TABLE(l, write, read, get_config, set_config)。
l：改表的“C”标识符，即在DEVTAB_ENTRY中的handlers。
write：实现向设备传送数据。
read：实现从设备读取数据。
get_config：实现读取设备配置信息。
set_config：实现对设备的配置操作。
在eCos的初始化引导过程中，对系统中的所有设备调用其相应的init()函数（即DEVTAB_ENTRY宏注册的初始化函数），所有对设备的I/O操作通过handlers完成。
设备驱动程序包含如下内容(xxx：表示某种设备)。
◆ 用宏定义DEVIO_TABLE设备I/O函数表。
DEVIO_TABLE(xxx_handlers, // I/O函数句柄指针
xxx_write, // 写函数
xxx_read, // 读函数
xxx_get_config, // 读配置
xxx_set_config)// 设置配置
◆ 用宏定义DEVTAB_ENTRY注册设备入口。
DEVTAB_ENTRY(xxx_device, // 设备入口名
“/dev/xxx”, // 设备名，查找设备时用到
NULL,// 需用到的底层驱动，这里为空
xxx_handles, // I/O函数句柄指针
xxx_init, // 设备初始化函数
xxx_lookup, // 设备搜索
xxx_priv)// 设备专用数据指针
◆ 完成初始化函数xxx_init。完成对硬件的初始化，调用函数cyg_drv_interrupt_create建立中断对象，然后调用函数cyg_drv_interrupt_attach完成中断与硬件向量的连接。
◆ 完成中断服务程序。
◆ 完成中断滞后服务程序。
◆ 若有中断线程，则完成中断线程。
◆ 完成设备搜索函数xxx_lookup。
◆ 完成写函数xxx_write。
◆ 完成读函数xxx_read。
◆ 完成读配置函数x xx_get_config。
◆ 完成设置配置函数xxx_set_config。
结论
经过硬件平台的移植和驱动程序的编写，就可在此基础上开发各种应用程序了。
eCos具有非常优秀的可移植性；使用多任务抢占机制，具有最小的中断延迟；支持嵌入式系统所需的所有同步原语，提供包括设备驱动程序、内存管理、例外处理、标准C和数学库；提供各种开发嵌入式应用所需的工具，是开发嵌入式系统的强有力工具。
参考文献
1 eCos Users Guide. Red Hat Inc. & eCosCentric Ltd, 2003
2 eCos Tutorial. Red Hat Inc, 2002
3 eCos Reference Manual. Red Hat Inc & eCosCentric Ltd, 2003
4 Bart Veer, John Dallaway. The eCos Component Writers Guide. Red Hat Inc, 2003
5 Antony J. Massa, Embedded Software Development with eCos. Prentice Hall PTR, 2002