eCos在基于ARM7硬件平台上的应用（上）

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摘要 简单介绍eCos的体系结构，详细论述eCos的可配置机制的实现原理，重点介绍eCos在以AT91M55800为核心的ARM7硬件平台上的移植步骤，结合本系统简要介绍内核的配置方法。最后给出了基于eCos应用软件的编写方法。
关键词 eCos 可配置机制 ARM7 移植 硬件平台
　　eCos(Embedded Configurable Operating System)最初是由Cygnus Solutions公司为面向嵌入式领域而开发的源码公开、具有很强的可移植性和可配置性的，适合于深度嵌入式开发的实时操作系统。现在eCos主要由eCosCentric公司和eCos开源社区共同开发维护。eCos的特性，特别是它的可配置性，能有效缩短嵌入式产品的开发周期并降低成本。
1  eCos的体系结构及可配置性
1.1  eCos体系结构
　　eCos采用模块化设计，将不同功能的软件分成不同的组件，使其分别位于系统的不同层次。这种层次结构实现了eCos的可配置性、可移植性、兼容性和可扩展性。图1是eCos系统的层次结构框图。硬件抽象层（HAL）使其上层次结构不必关心具体的硬件结构，因此只需对HAL进行修改就可以使整个eCos的应用移植到新的硬件平台上。



         图1  eCos的层次结构框图
　　内核是eCos的一个核心组件，也是系统的一个可选组件，一些较为复杂的应用需要内核的支持。内核提供了多个可供选择的调度算法，可以很好地支持多任务处理。eCos内核提供了一组丰富的同步源语，完全能满足各种嵌入式应用的需求。内核还负责对中断和例外进行处理，它的中断滞后处理机制保证了系统的实时性。此外，内核还具有内存分配机制和定时机制，并提供多线程GDB调试支持。内核为上层软件和应用软件提供了丰富的API接口函数。
　　RedBoot是一个无内核的系统引导程序，是eCos的一个特殊应用。RedBoot可以加载eCos应用程序，并提供Debug支持，是开发eCos系统时非常有用的工具。设备驱动程序负责对硬件设备进行控制和管理，并完成设备数据的读/写操作。设备驱动程序自身也采用层次结构，上层驱动程序（相当于一个虚设备）可以调用下层驱动程序（物理设备）。驱动程序为上层软件提供标准的API函数，应用程序可以使用这些API函数对设备进行访问。
　　eCos包含的网络支持包支持完整的TCP/IP网络协议栈。eCos还提供了标准库（ANSI C库和数学库）、兼容层（POSIX兼容和uItrON兼容）、文件系统等。作为一种开放软件，eCos还可以很方便地容纳第三方软件。
1.2  可配置性原理
　　eCos的一个主要特性就是其可配置特性。可配置性最终是靠代码中的条件编译来完成的，条件编译是编程语言的特点，并不是eCos的原创。当一个软件工程中的条件编译项的数目和复杂性达到一定程度时，其中有一些条件编译项就会因为存在逻辑上的依赖关系而使条件编译产生冲突。而如何发现并有效解决这种冲突才是eCos可配置性的特点，如图2所示，其可配置特性的实现主要由组件定义语言CDL(Component Definition Language)、组件仓库ecos.db、图形配置工具configtool三者共同完成。



     图2  可配置机制
（1）  组件定义语言CDL
　　CDL是eCos组件框架中的一个关键部分，eCos所有模块的程序包中都包含一个CDL脚本对该包进行描述并提供配置选项。以本系统中的串口驱动程序包为例，在该包对应的CDL中定义了一个名为CYGPKG_IO_SERIAL_ARM_AT91的cdl_package。在这个cdl_package中详细列出了该包的一些属性，如该包必须在工程已经包含了硬件抽象层包CYGPKG_HAL_ARM_AT91和上层串口I/O包CYGPKG_IO_SERIAL的情况下才会被使能。另外，串口的一些常用特性，如波特率、设备名、缓冲区大小等配置选项也是必不可少的。在一些复杂的CDL中还会包含对该包中的源程序进行编译时的一些编译选项。在进行配置的时候，该包还会产生一个包含了各个可配置参数数值的头文件。当其他包使用由CYGPKG_IO_SERIAL_ARM_AT91包提供的可配置参数时，这个新产生的头文件就会被相关的源文件通过#include语法包含。
（2）  组件仓库ecos.db
　　ecos.db是一个包含了所有可用程序包和配置模版的文本文件。在该文件中，需要注册所有的CDL包。在注册时以package关键字提供相应包的名称、CDL脚本文件的文件路径以及对该包的一个简单描述。在ecos.db中还会以target关键字生成配置模版，从而提供目标平台的一些基本组成结构，使目标平台包括所需要的已经注册了的CDL配置包。
（3） 图形配置工具configtool
　　configtool是利用MFC编写的Windows程序，是eCos可配置性的执行者，也可以理解成是CDL脚本的解释器。一方面它读取ecos.db文件中的目标平台和已注册的配置包信息，根据配置包的路径找到相应的CDL脚本，然后根据脚本中给出的属性向程序员提供图形化的配置信息；另一方面，它还可以接受用户的输入，包括单选按钮、复选框、下拉列表、文本输入等。当用户保存一个配置时，configtool会根据CDL语言的提示生成相应的头文件，也会将指定的头文件从配置包中复制到配置文件所在的工作目录。无论是生成的头文件还是拷贝的头文件，都会在编译时被源程序所引用。对于内核源程序，configtool又可以理解成编译器。当用户的配置选项被保存并且对工程进行编译时，configtool会在后台调用真正的编译器GCC，根据配置包CDL中的编译选项控制GCC对所有需要的内核源文件进行编译并生成库文件和对应的链接脚本。当然configtool只是对eCos内核进行编译，用户的应用程序只需在编译时和由configtool编译生成的库文件进行链接就可以得到最终的可执行映像文件。
2  系统硬件框架
　　本系统是一个以ARM7为核心构成的测控系统，通过对传感器的脉冲信号进行处理而得到待测物料的流量，并通过控制给料器的给料速度达到流量控制的目的。对于一个有实用价值的测控系统，必须具有人机交互、闭环控制、数据通信和存储等功能。本课题所研制的流量测控系统的硬件框图如图3所示。



            图3  流量测控系统硬件框图
　　图3中，处理器为ARM7内核的工业级芯片AT91M55800，其强大的功能保证了系统的实时性和稳定性的要求。2 MB的Flash SST39VF160用来保存程序代码、测量所需的一些参数以及测量结果的简单统计信息。在工业生产中,经常需要对一次测量中的数据进行历史再现，以便对一些事故或故障进行排查。本系统通过采用1 MB的大容量RAM来实现这一功能：除了用来作为程序运行时的内存外，RAM还用来实时保存每一时刻的测量数据。USB总线的通信口用来和现场计算机进行通信，以实现一些更加完善的处理，如数据打印、结果分析、实时数据的硬盘保存等。分辨率为320×240的LCD用来作为系统的显示终端配合4×5的键盘来完成系统的人机交互操作。对变频器的控制和对温度信号的采集通过485总线完成。6路脉冲信号是本系统测量功能的核心，通过对这6路脉冲进行处理可以得到流量相关的所有信息。4"20 mA电流信号用来控制给料系统，以实现闭环控制。由于在工业环境中使用，对于一些长线连接必须采取隔离措施。本系统对测量脉冲、485通信信号和4"20 mA电流信号都采取了光电隔离措施。





         
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