基于T20A80处理器的VxWorks7.0操作系统研究与适配

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为满足机载系统中雷达处理单元等设备高实时、 高性能的需求，本文使用 T2080 处理器研制了一款通用处理卡，并基于该卡研究并完成了 VxWorks7.0 操作系统的 BSP 开发及操作系统适配工作。

VxWorks 操作系统是一个应用广泛的高性能可裁剪实时多任务操作系统， 提供并支持多任务调度机制， 用户可以根据需求将对事件的控制通过不同任务的协调而完成。 VxWorks7.0 为风河公司开发的最新一代操作系统， 其采用高度模块化的方式，实现了内核与文件系统和网络栈等组件的分离，有利于模块化设计， 同时 VxWorks7.0 对 PowerPC 处理器的 64 位操作系统开发进行了支持，大大提高了处理性能。

PowerPC处理器是Motorola和IBM共同研发的RISC结构体系，具有高性能和低功耗的特点，广泛应用于机载、舰载等设备。T2080处理器是一款飞思卡尔公司推出的QorIQ系列 PowerPC 架构四核八线程处理器。T2080 处理器内部集成有飞思卡尔最新一代 AltiVec 引擎， 提供 172GFLOPS 矢量处理，比飞思卡尔上一代 AltiVec 器件的性能高七倍以上。 AltiVec 引擎强大的单指令多数据（SIMD）信号处理能力，使得 T2080 处理器可满足网络、医疗、工业、印刷、航空航天和国防等应用的高带宽数据处理和算法密集型计算要求， 在很多嵌入式信号处理领域可以取代传统的 DSP 处理器成为信号处理器件的首选。

为满足机载系统中雷达处理单元等设备高实时、 高性能的需求，本文使用 T2080 处理器研制了一款通用处理卡，并基于该卡研究并完成了 VxWorks7.0 操作系统的 BSP 开发及操作系统适配工作。

VxWorks7.0 引导程序开发

嵌入式操作系统启动运行之前需要引导程序 （bootloader）。处理器上电以后需要首先运行该引导程序对处理器及DDR 内存等外设初始化，建立 MMU 映射表，然后根据配置选择从 Nor Flash、SPI Flash、eMMC 等存储器或者以太网接口加载操作系统内核到主存，跳转到操作系统内核运行。 风河公司为VxWorks6.x 提供的引导程序为 bootrom。 从 VxWorks7 版本后风河开始支持并推荐采用 uboot 作为 VxWorks 的引导程序 。uboot 的原生支持大大减少了 VxWorks7.0 操作系统的适配时间及人力成本。

uboot 的全称是 universal boot loader， 它 是 一 个 遵 循GPL 协议的开源软件， 其本身可以看作是一个裸机综合例程。uboot 是 ARM 与 PowerPC 处理器目标板最常用的引导程序。与 bootrom 相比，uboot 功能强大，支持数十种命令，基于这些命令开发者可在bootloader 阶段即可对硬件进行调试。

uboot 开发环境搭建

引导程序uboot的开发与构建需要基于Linux系统环境，因此设计师需要搭建虚拟机软件环境安装 Linux 系统。 本文虚拟机软件选择的是 VMware 16.0， 安装的Linux操作系统版本是 Ubuntu14.04。在Ubuntu系统安装完成后需要安装uboot源码包与交叉编译工具链。

交叉编译指在宿主机平台编译生成目标机可运行的执行代码， 比如在 Windows 的台式机上编译生成目标板在 VxWorks环境下运行的程序。 交叉编译工具就是在宿主机平台使用的编译工具。用户需要根据实际的硬件平台选择交叉编译工具。本文使用的交叉编译工具以及 uboot源码均从NXP官方提供的Yocto SDK 包“QorIQ-SDK-V2.0-20160527-yocto.iso”中提取。

uboot自从2010年升级以后 ， 结构目录发生改变 ， 与T2080 处理器相关的主要目录与文件如表1所示：

T2080 VxWorks 7.0

uboot 启动流程分析

T2080处理器支持多种启动模式，包括IFC Nor Flash启动模式，SPI Flash 启动模式及 eMMC启动模式等。不同启动模式下，uboot 启动执行流程有所区别。

IFC Nor Flash 启动模式下的 uboot 程序执行分为两阶段，阶段 1 与阶段 2。 阶段 1 代码主要由汇编语言编写，功能是完成硬件初始化、DDR 内存初始化以及将自身代码全部复制到 DDR 内存中，设置 Ｃ 语言运行所需的堆栈空间，为阶段 2 的运行做好准备。 由于 IFC Nor Flash 存储器支持片上执行，因此阶段 1 代码均直接在 Nor Flash 存储器中执行。 代码 1 执行完成后处理器跳转到拷贝至 DDR 内存的阶段 2 代码。阶段 2 代码主要是 C 语言编写， 功能是进行后续的初始化，MMU 地址映射，网口配置，提供命令交互环境，同时引导系统内核。

SPI Nor Flash 启动模式与 eMMC 启动模式下的 uboot 启动流程基本相同。 启动流程分为两阶段，阶段 1 为 BL1，一般也称 之 为 uboot_spl 阶 段 。 SPL 含 义 是 Secondary Program Loader（SPL）。 由于 SPI Nor Flash 与 eMMC 存储器均不支持片上执行功能，因此 BL1 阶段需要在处理器内部 SRAM 空间中执行。 BL1 负责工作包括关闭中断、MMU、TLB 等，实现 DDR 内存初始化，以及拷贝阶段 2 的代码至 DDR 内存。阶段 2 为 BL2，BL2 才是实际的 uboot 阶段。 uboot 代码主要是 C 语言编写，功能是进行后续的初始化，包括网口配置、MMU 地址映射、提供命令交互环境以及引导系统内核。

uboot 移植步骤

本文在 uboot 目录中寻找与 T2080 通用处理卡类似的目标板，然后修改相关代码定制 uboot，步骤如下：

  1. 创建 board 目录：由于本子卡采用的 T2080 处理器为飞思卡尔公司产品， 在 board/freescale 目录下创建 t208xleihua目录，并将官方开发板 t208xrdb 目录下的代码复制到该目录下修改，其中需要注意 MakeFile 以及 Kconfig 两个文件的修改；
  2. 创建板级头文件 ： 复制 t208xrdb.h 文件 ，重命名为t208xleihua.h 并根据需求修改其中相关配置，例如内存大小、是否进行内存测试、网络 Phy 器件地址等；
  3. 创建编译配置文件：如果需要生成IFC Nor Flash启动模式下的 uboot，在./configs 目录下复制T2080RDB_defconfig文件，重命名为T2080LEIHUA_defconfig，将该文件中的 CONFIG_TARGET_T208XRDB 替换为 CONFIG_TARGET_T208XLEIHUA；如果需要生成 SPI Flash 启动模式下的 uboot，在./configs 目录下复制 T2080RDB_SPIFLASH_defconfig 文件， 重命名为 T2080LEIHUA_SPIFLASH_defconfig，将该文件中的CONFIG_TARGET_T208XRDB 替换为 CONFIG_TARGET_T208XLEIHUA；如果需要生成 eMMC 启动模式下的 uboot，在./configs目录下复制 T2080RDB_SDCARD_defconfig 文件， 重命名为T2080LEIHUA_ SDCARD_defconfig， 将 该 文 件 中 的 CONFIG_TARGET_T208XRDB 替换为 CONFIG_TARGET_T208XLEIHUA；
  4. 如果需要生成 SPI Flash 启动模式或者 eMMC 启动模式下的 uboot， 还需更新 board/freescale/t208xleihua 目录下的RCW 控 制 字 文 件 t2080_spi_rcw.cfg 或者t2080_sd_rcw.cfg中的内容；
  5. 修改arch/powerpc/cpu/mpc85xx/Kconfig文件，添加以下内容：
config TARGET_T208XLEIHUA
bool “Support T208Xleihua”
select SUPPORT_SPL
select PHYS_64BIT
…
source “board/freescale/t208xleihua/Kconfig”
  1. 果使用 IFC Nor Flash 启动模式，执行以下命令生成uboot 文件：
make T2080LEIHUA_defconfig
make
  1. 如果使用 SPI Flash 启动模式，则执行以下命令生成 uboot 文件：
make T2080LEIHUA_SPIFLASH_defconfig
make
  1. 如果使用 MMC Flash 启动模式，则执行以下命令生成uboot 文件：
make T2080LEIHUA_SDCARD_defconfig
make

VxWorks7.0 系统内核开发

引导程序开发完成后，需要进行操作系统的适配工作。系统内核适配、 设备树开发以及驱动开发等工作均是基于VxWorks7.0操作系统的集成开发工具Wind River WorkBench 4.0完成。VxWorks 7.0版本相对VxWorks6.x底层目录及架构区别较大，BSP、ARCH、驱动均被重新规划。BSP 中的ARCH相关部分被挪到ARCH代码中，C代码部分通过CPU子系统调用 。BSP之间的共享代码被抽象到了平台支持包（PSL）中；BSP中的驱动和非单板相关功能代码全部被清理出去。VxBus驱动模型更新到VxBus GEN2，引入了 DTS（设备树）与子系统的概念，去掉了原来BSP中的硬件配置和寄存器空间映射等代码。

内核开发

VxWorks7.0下内核开发方式与VxWorks6.x以及更早版本有所区别。VxWorks7.0 的系统 VIP（VxWorks Image Project）工程必须基于VSB（VxWorks Image Project）工程构建，因此在创建 VIP 工程之前需要先创建VSB工程，而VxWorks6.x版本基于VSB工程创建VIP仅是可选要求。

VSB（Source Builed Project）工程用于源码编译 ，为VIP工程和DKM工程提供库文件。 VIP（VxWorks 7 Image Project）工程用于构建系统镜像和设备树。VIP工程需要根据板卡需要添加或删减组件来配置具体功能，组件配置方法为：

  1. 点击所要配置的 VIP 工程，选中 Kernel Configuration；

  2. 在新弹出Components窗口下查找到所要组件，也可使用ctrl+F进行快速查找；查找到所需组件后，点击所需组件，右击，选择Include，完成组件添加；若要去除组件，点击该组件，右击，选中 Exlude，完成组件去除；

  3. 待组件添加完成后，选中VIP工程，右击选中Build project 完成 VIP 工程编译。

设备树开发

VxWorks 传统的驱动模型有两种： 第一种模型是直接在驱动代码中配置设备参数，每次设备的变动都需要修改驱动，重新生成系统内核。第二种模型是VxBus GEN1 驱动模型，该模型将设备与驱动分离，设备参数在 BSP 中 hwconf.c 文件设备列表结构体中配置实现；第二种驱动模型提高了驱动的通用性、可移植性，但依然存在缺点，当某个设备参数与当前 BSP 稍有区别，就需要重构系统内核。风河公司为了克服这个缺点 ， 在 VxWorks7.0 中引入了Linux 系统中的设备树（Device Tree）概念。设备树是 Linux 社区参考 PowerPC 等体系架构中使用的 Flattened Device Tree（FDT）设计的。 设备硬件参数可以通过设备树传递给内核，而不再需要在内核中进行大量的冗余编码。

设备树的内容由结点（node）和属性（property）组成，而结点本身可包含子结点。 属性是指成对出现的名称（name）和值（value）。在设备树中，可描述的信息包括 CPU 的数量和类别、内存基地址和大小、中断控制器参数、时钟参数、总线和桥以及外设设备参数。

引导程序 uboot 启动过程中，可以将设备树传递给内核，内核可以识别解析设备树，并根据设备树中的信息实现驱动匹配、设备初始化及分配资源等。 通过这种方式， 驱动与设备彻底分离，而且设备列表易于扩展，设备增加或者移除、设备参数改动均只需要修改设备树，无需重新编译内核或者驱动程序。

VxWorks7.0 环境下 dts 文件位于 BSP 目录下，dts 文件以文本方式对系统设备树进行描述。 用户根据实际需求对该文件直接进行修改。 经过系统内核工程编译后，该 dts 文件被转换成二进制文件 binary device tree blob(dtb)。dtb 文件可以被 VxWorks7.0内核识别解析，并可以通过 vxFdtDtbDump 函数打印显示。

驱动开发

VxWorks7.0 操作系统安装目录提供了许多常用的接口与设备驱动，创建 VSB 工程时可选择将相关驱动源码集成进工程目录。 为了修正某些驱动的 bug 或者满足其他特殊需求，设计师需要在 VSB 工程驱动源码里直接修改，并重新构建工程更新底层库文件。

T2080 处理器通用处理卡上 VxWorks 未支持的接口与设备例如 SRIO 接口驱动需要设计师单独开发。 此类驱动设计师可采用 DKM 工程进行编码、 开发及调试。 驱动开发需遵循 VxBusGEN2 规范，并在设备树中建立设备节点。 以 SRIO 接口驱动为例，T2080 处理器通用处理卡设计了两路 SRIO 接口，两路 SRIO接口共享部分全局寄存器，设计时将两路 SRIO 接口认作为一个设备的两路端口，在设备树中添加一个设备节点，如图 1 所示。

T2080 VxWorks 7.0 图 1 SRIO 设备节点

结束语

本文为了满足现代雷达系统对高性能强实时的应用需求，基于 T2080 处理器研究并实现了 VxWorks7.0 实时操作系统的适配工作，介绍了 VxWorks7.0 操作系统的引导程序、系统内核以及驱动的开发流程。 本文可作为同类处理器平台适配 VxWorks7.0 操作系统的参考。

参考文献 ［１］WindRiver Inc. Vxworks Application Programmer ’s Guide 7.0［Ａ］. WindRiver Inc, 2012 ［２］WindRiver Inc. Vxworks Kernel Programmer ’s Guide 7.0［Ａ］.WindRiver Inc, 2012 ［３］WindRiver Inc. Vxworks BSP Developer ’s Guide 7.0［Ａ］.WindRiver Inc, 2012 ［４］周启平，张杨．VxWorks 下设备驱动程序及 BSP 开发指南［Ｍ］.北京：中国电力出版社，2004 ［５］隋霞，许录平．基于 VxWorks 的 BSP 技术分析［Ｊ］．微计算机信息，2006（2３）：86-88

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