巧借WinCE BSP移植 嵌入式系统开发有捷径

转自：http://tech.it168.com/a2009/0617/591/000000591093.shtml

 

近期，公司让我负责一个嵌入式消费产品的开发项目。此产品原来的操作系统是WinCE 5.0，现在因应市场需求不但要增加功能更加强大的硬件，而且公司也要求把操作系统升级为WinCE 6.0。在接手此项目后，我立即开始进行操作系统的定制开发，但结果却是欲速则不达。

   后来，我在时间和成本的多重压力因素下反思时，发现我犯了一个致命的错误，就是为了更快的把产品推向市场，在开发过程应该是移植操作系统而不是重新定制操作系统。本文根据我在此项目上得到的经验和总结，先分析BSP移植对WinCE的重要性和影响，然后在此基础上通过对Bootloader、OAL和驱动程序的移植来具体探讨BSP的移植过程。

 什么是WinCE操作系统移植？

   （1）为什么要进行操作系统移植？
   目前嵌入式系统应用变得越来越广泛了，嵌入式产品充斥着许多领域，如日常生活的手机、MP4、PDA等都属于典型的嵌入式系统。随着技术和消费者需求的变化，即使是同一类型的嵌入式产品也会存在着硬件平台的变化，或会存在着软件平台的更新换代。因此，为了更快的适应市场需求，在实际开发过程更倾向于移植操作系统而不是重新开发操作系统。这样不但可以节省时间，还能大大提高开发效率。

   由于嵌入式系统是一个软硬件紧密结合的系统，因此操作系统移植包含两个层面上的工作：一个层面是CPU级的，另一个层面是板级的。由于WinCE操作系统几乎完全是用C语言编写的,所以可移植到众多的32位微处理器上。这其中包括ARM、x86、MIPS和SHx等，而且CPU级的移植通常由微软或芯片制造商来完成，这会极大地减轻0EM厂商开发过程中移植操作系统的工作量，但板级层面的移植则还是需要由OEM厂商来完成的。

   一般来说，一个WinCE系统包括四层结构：应用程序、WinCE内核映像、板级支持包（BSP）、硬件平台。而基本软件平台则主要由WinCE系统内核映像（OS Image）和板卡支持包（BSP）两部分组成。因为WinCE系统是一个软硬件紧密结合的系统，因此即使CPU处理器相同，但是如果开发板上的外围硬件不相同，这个时候还是需要修改BSP来完成一个新的BSP。因此换句话说，就是WinCE的移植过程主要是改写BSP的过程。

   （2）什么是板级BSP移植？
   一般来说，从零开始开发和定制WinCE BSP是需要相当长的时间，BSP的定制开发在整个嵌入式产品开发时间上占了很大比例。所以，快速的BSP移植是适应激烈竞争的市场环境的一个捷径。BSP(Board Support Packet——板级支持包)是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，它主要的功能是给上层提供统一接口，同时屏蔽各种硬件底层的差异，以及提供操作系统的驱动及硬件驱动。简单的说，就是BSP包含了所有与硬件有关的代码，为操作系统提供了硬件平台无关性。因此，通过BSP系统，就能将CPU的硬件系统与Windows CE的软件系统联系为一个整体。

   从WinCE开发文档中我们可知，BSP是一个包括启动程序Bootloader、OEM适配层程序(OAL)、标准开发板(SDB)和相关硬件设备的驱动程序和配置文件的软件包。其中Bootloader是加电即运行的一段程序，它能初始化硬件，建立系统的内存空间映射，为最终调用系统内核做准备。主要用于下载和启动镜像nk.bin。而OAL则是逻辑上驻留在Windows CE内核与目标设备之间的代码层，OEM厂商使用这些代码把WinCE适配到自己的硬件上；在物理上OAL是与内核库连接在一起产生内核可执行文件。OAL简化了操作系统与目标代码之间的通信，OAL代码用来处理中断、记时器、电源管理、通用I/O控制等。最后，设备驱动程序是指本机驱动程序以及流接口驱动程序。本机驱动程序有GEWS.exe加载的鼠标、键盘、触摸屏、显示驱动等；而流接口驱动程序使用一组流函数来实现，通常由Device.exe加载，如网卡、声卡、USB等。

 

WinCE BSP移植的流程和步骤

   从前文分析我们可以知道，WinCE系统移植的重点是BSP 的移植。而BSP移植主要包括启动程序Bootloader、OEM适配层程序OAL、标准开发板(SDB)本地驱动程序以及一些文件配置的修改。以下是WinCE BSP移植的主要内容和流程步骤：

   （1）启动程序Bootloader的移植步骤
   修改Bootloader是移植Win CE系统第一步，也是关键的一步。只有得到一个稳定工作的启动程序，才能够进一步完成WinCE BSP的移植。Bootloader主要用来管理目标平台的启动过程，它是一段单独的程序代码，通过这段小程序可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图和下载操作系统的映像文件等，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，它一般存放于目标平台的非易失存储介质中，如ROM或Flash。

   一般来说，对于Bootloader的功能,不同的场合区别很大。比如，在桌面Windows版的PC硬件平台上，由于硬件启动根本就不通过Bootloader（而是通过BIOS），所以Bootloader就无需对CPU加电后的初始化做任何工作；而在嵌入式WinCE平台上，Bootloader是最先被执行的程序，所以就必须包括加电初始化程序，同时通常Bootloader必须包含下载WinCE映像文档的功能。由于Bootloader会涉及到基本的硬件操作，如CPU的结构、指令等，也会又涉及到以太网下载协议和映像文档格式。因此，从零开发实现的话会需要相当长的过程，通常的做法是利用微软为每种类型的CPU提供的某种标准研发板的Bootloader例程。

   根据我在这次项目移植得到的经验，Bootloader的移植步骤主要是：①是修改相应的dir、source文件；②是修改makefile.inc；③是修改boot.bib，使其不与config.bib中的内存分配造成冲突；④是改进eboot，因为eboot烧写NK.BIN的时候会查找BINFS分区，然后把下载的image烧写到BINFS分区。

   （2）OAL的移植步骤
   OAL的全称是OEM Adaption Layer，即原始设备制造商适配层。它是位于Windows CE内核和目标硬件平台之间的一个代码层，OAL主要负责Windows CE与硬件通信，它与CPU、中断、内存、时钟和调试口等核心设备相关，也是OAL各个模块代码被编译后（.lib）和其它内核库链接到一起形成Windows CE的内核可执行文档NK.EXE的关键。简单的说，OAL就是用来屏蔽CPU平台的细节和抽象硬件功能，以实现操作系统内核的可移植性。

   从逻辑结构上看，OAL位于WinCE操作系统的内核与硬件之间，是连接WinCE系统与硬件的枢纽；从功能上看，OAL颇似桌面PC上的BIOS，具有初始化设备、引导操作系统以及抽象硬件功能等作用。但与B10S不同的是，0AL隶属于操作系统，是操作系统的一部分。

   从我在这次项目中得到的经验来看，Windows CE安装目录的子目录中都包含有OAL的部分源码。OAL的移植实现应是在fwxsc1.s、main.c、Flash.c、Edeviceinit.c等文件中，可根据实际需要修改相应的代码。在OAL移植过程中，主要是修改这几个函数：修改Startup.s函数、修改串口调试函数、修改OEMInit函数、修改系统时钟函数和修改中断处理函数等。实际上，大多数情况下开发工程师对OAL只要修改即可，甚至无需修改。

 

（3）驱动程序的移植和开发
   驱动程序（Device Drivers）是指能够管理虚拟或者物理设备、协议、服务等的一段软件模块，操作系统是通过驱动程序直接和硬件打交道的。设备驱动程序能为WinCE提供设备控制功能，包括：LCD/LED/VGA/SVGA显示设备、鼠标、键盘和触摸屏等。根据我在这次项目移植得到的经验，建议设备驱动程序的移植可通过Platform Builder创建一个新的平台，然后再根据硬件平台的需要插入和移除驱动。一般来说，需要修改的文件有Platform. Bib、Platform. reg及驱动程序源代码等。

   （4）平台文件配置的修改
   平台配置文件包括源代码配置文件和操作系统镜像配置文件。源代码配置文件主要是告诉Build工具需要用到的路径，包括Dirs文件、Sources文件和Makefile文件等。操作系统镜像配置文件则主要用于给Makeimag工具生成操作系统镜像，包括.bib、.reg、.dat、.db等文件。因此，在进行BSP移植的时候，也需要对这些平台配置文件进行适当的修改和变更。

   （5）移植时需特别注意的地方
   很多嵌入式开发实践都证明BSP移植是一个挺复杂、烦琐的过程。因为WinCE 不同版本的BSP包的组织结构是不同的，所以会导致很多链接库无法找到或者是这些库已经被替换、删除，唯一的方法是只有耐心的根据错误提示来一一定位修改。

   例如，在移植Bootloader时因为Bootloader的下载、烧写、启动镜像过程会涉及到内存地址，所以在处理各种入口地址时应该要避免出现差错或内存超出范围，尤其是处理地址冲突时需要特别小心。还有在移植OAL时，startup.s以及OEMInitDebugSerial两个函数需要特别注意，因为它们主要是初始化硬件及串口，系统运行及驱动调试的基础，如果硬件配置以及调试串口有改变，则需要适当的修改。