第3章 VxWorks操作系统启动过程详解《Vxworks设备驱动开发详解》

《VXWORKS设备驱动开发详解》作者：华清远见第3章VxWorks操作系统启动过程详解VxWorksVxWorksbootromVxWorksBSP专业始于专注卓识源于远见 ‐ 2 ‐VxWorks操作系统启动3.1.1VxWorks基本启动方式按VxWorks内核的下载形式，VxWorks启动总体上分为两种方式：下载型和ROM型。下载型启动方式：bootrom+VxWorks。此时bootrom被烧入ROM中，而VxWorks内核映像通过串口或者网口下载到系统RAM中。ROM型启动方式：VxWorks直接从ROM中运行，不借助于bootrom引导程序。此时VxWorks内核映像被烧入ROM中，无bootrom程序。对于不同的启动方式，VxWorks操作系统内核映像的组成也略有不同。bootrom引导程序一般称为VxWorksbootImage。该程序由如下文件创建而成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、bootConfig.c、设备驱动程序。bootromsysALib.sROMVxWorksVxWorks内核映像一般被称为VxWorksApplicationImage。VxWorks内核映像是系统启动后实际运行的程序（操作系统本身）。对于下载形式的VxWorks内核映像，由于需要对硬件环境进行重新初始化（即不依赖于romInit函数所做的初始化工作），所以昀先需要运行sysInit函数进行重新初始化，这些初始化工作与romInit函数基本相同，但是不再需要对内存控制器进行重新初始化，这是sysInit区别于romInit函数之处。sysInit昀后跳转到usrInit函数。而对于ROM方式直接运行的VxWorks内核映像，由于romInit.s函数此时是作为内核映像的一部分，所以就省去了对sysInit函数的调用。下载型和ROM型在VxWorks内核文件的构成上有一些差别。下载形式的VxWorks内核映像组成：sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、设备驱动程序文件。ROM形式的VxWorks内核映像组成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、设备驱动程序文件。ROMVxWorkssysALib.ssysInitVxWorksdefs.bspMACH_DEPsysALib.oMACH_DEP=sysALib.osysLib.o$(MACH_EXTRA)$(ADDED_MODULES)3.1.2VxWorks操作系统内存布局在VxWorks操作系统过程中可能使用到的BootRom和VxWorks内核映像本身都可以存在两种方式：压缩的和非压缩的。1．非压缩形式 如果没有进行压缩，则只有一次重定位，即从ROM到RAM只存在一次代码复制过程，所有ROM中存储的代码都被一次性复制到RAM中。①对于BootRom而言，所有的代码被一次性复制到RAM_HIGH_ADRS指定地址处，如图3-1所示。专业始于专注卓识源于远见 ‐ 3 ‐非压缩代码ROM_BASE_ADRSROM_TEXT_ADRSROM_BASE_ADRS+ROM_SIZE用户预留非压缩代码栈保留LOCAL_MEM_LOCAL_ADRSRAM_LOW_ADRSSYS_MEM_BOTTOMRAM_HIGH_ADRSsysPhyMemTopsysMemTop一次性全部复制到RAM_HIGH_ADRS地址处_romInit_romInit3-1BootRomROMRAM②对于VxWorks_rom而言，所有的代码被一次性复制到RAM_LOW_ADRS指定地址处，如图3-2所示。2．压缩形式 如果有进行压缩，则代码复制过程将分为两次，一次是非压缩代码，另一次是压缩代码，且二者复制到内存不同的位置处。①对于BootRom而言，非压缩代码（romInit.s、bootInit.c）被直接复制到RAM_LOW_ADRS处；压缩代码复制到RAM_HIGH_ADRS处，并在复制过程中完成解压缩，如图3-3所示。非压缩代码ROM_BASE_ADRSROM_TEXT_ADRSROM_BASE_ADRS+ROM_SIZE用户预留非压缩代码栈保留LOCAL_MEM_LOCAL_ADRSRAM_LOW_ADRSSYS_MEM_BOTTOMsysPhyMemTopsysMemTop一次性全部复制到RAM_LOW_ADRS地址处_romInit_romInitVxworks内核代码3-2VxWorks_romROMRAM专业始于专注卓识源于远见 ‐ 4 ‐压缩代码非压缩代码ROM_BASE_ADRSROM_TEXT_ADRSbinArrayStartbinArrayEndROM_BASE_ADRS+ROM_SIZE用户预留压缩代码（已解压缩）非压缩代码栈保留LOCAL_MEM_LOCAL_ADRSRAM_LOW_ADRSSYS_MEM_BOTTOMRAM_HIGH_ADRSsysPhyMemTopsysMemTop_romInitusrInit第一次复制（非压缩代码复制）第二次复制（压缩代码解压缩复制）3-3BootRomROMRAM②对于VxWorks_rom而言，非压缩代码（romInit.s、bootInit.c）被直接复制到RAM_HIGH_ADRS处；压缩代码复制到RAM_LOW_ADRS处，并在复制过程中完成解压缩，如图3-4所示。压缩代码非压缩代码ROM_BASE_ADRSROM_TEXT_ADRSbinArrayStartbinArrayEndROM_BASE_ADRS+ROM_SIZE用户预留压缩代码（已解压缩）非压缩代码栈保留LOCAL_MEM_LOCAL_ADRSRAM_LOW_ADRSSYS_MEM_BOTTOMRAM_HIGH_ADRSsysPhyMemTopsysMemTop_romInitusrInit第一次复制（非压缩代码复制）第二次复制（压缩代码解压缩复制）3-4VxWorks_romROMRAM事实上，对于压缩版本，在进行编译时，进行了两次代码链接：一次是针对压缩代码的链接，另一次是将非压缩代码和压缩代码整合在一起时的链接。注意，在进行非压缩代码和压缩代码的整合时，压缩代码部分是作为数据进入整个映像的，所以不会对其进行重新链接。对压缩代码的链接，实际上是在代码被压缩之前完成的，完成代码的链接后，生成特定格式的目标文件（如ELF或者COFF），为了在解压缩后可以直接执行，首先必须将其转成二进制可执行文件，通过objcopy函数完成此项功能，此后对生成的二进制可执行文件调用deflate函数进行压缩，由于需要将压缩后的代码昀后整合到整个映像中，故压缩后的文件还需要通过binToAsm工具进行转换，转成一个汇编源文件，该文件将压缩后的二进制代码作为数据部分进行保存，从而避免在与非压缩代码昀后进行二次链接时被修改。专业始于专注卓识源于远见 ‐ 5 ‐两步链接过程中各自指定了不同的链接地址，对于压缩代码而言，其分为两种情况，对于BootRom，压缩代码被链接到了RAM_HIGH_ADRS地址处，而对于VxWorks_rom，则被链接到了RAM_LOW_ADRS地址处，在与非压缩代码进行整合链接时指定的链接地址（即_romInit函数地址）与压缩代码链接时指定的地址相对应：如果压缩代码为RAM_HIGH_ADRS，则昀后整合时就为RAM_LOW_ADRS；如果压缩代码为RAM_LOW_ADRS，则整合时就为RAM_HIGH_ADRS。3.1.3下载型启动方式概述下载形式的VxWorks启动方式需要bootrom引导程序，该程序将被烧录到开发板的ROM或者Flash中，在上电时，系统将自动跳转到ROM或者Flash起始地址处运行该bootrom引导程序，该引导程序进行必要的系统初始化，从而为下载VxWorks内核映像做准备，如通过网口下载时，则需要先调用网口驱动程序进行网口初始化。由于bootrom的主要工作是下载真正的VxWorks内核映像到系统RAM中，所以其进行的初始化工作也是为这一目的，在文件组织上，虽然从上文中可以看到其与VxWorks内核映像的文件组成非常相似，但其使用bootConfig.c文件，而VxWorks内核映像则使用usrConfig.c文件。这两个文件中虽然定义有相同的函数名（如usrInit、usrRoot），但在实现上存在很大的差异：bootConfig.c文件实现完成从某个服务器下载真正的VxWorks内核映像到系统RAM中（由变量RAM_LOW_ADRS指向的内存地址处），并跳转到sysInit函数（定义在sysALib.s文件中第一个且必须是第一个函数，该函数即被装载到变量RAM_LOW_ADRS指向的内存地址处）执行；usrConfig.c文件实现完成一个操作系统正常运行所需要的所有初始化工作。简言之，bootConfig.c文件完成VxWorks内核映像的下载，而usrConfig.c完成初始化VxWorks操作系统的所有工作。按bootrom执行方式的不同，bootrom文件存在如下三种文件类型。（1）bootrom.bin它为压缩bootrom文件形式，此种文件形式主要为解决开发板上ROM或者Flash的空间限制。注意：压缩并非对所有的文件进行压缩，而是除了romInit.s和bootInit.c文件的其他所有文件，因为解压缩程序必须是非压缩形式的。bootrom执行流程如下（以下采用“文件名：函数名：初始是否被压缩”形式进行说明）。①romInit.s：romInit：非压缩。romInit函数完成系统硬件环境下必要的初始化工作，如从系统角度禁止中断，初始化相关寄存器到可知状态，初始化内存控制器，初始化函数调用所需的栈，昀后跳转到romStart函数执行。②bootInit.c：romStart：非压缩。romStart函数主要完成如下任务：首先将romInit函数及其自身复制到RAM_LOW_ADRS变量指向的RAM区，以便从RAM执行。注意，此后在下载VxWorks内核映像时，内核映像也被下载到RAM_LOW_ADRS变量指向的内存处，所以这部分代码此后将被覆盖，同样，bootrom占用的所有其他内存昀后也将被VxWorks内核回收（如由RAM_HIGH_ADRS指向的内核空间）。将bootrom程序其他部分（压缩部分）从ROM区复制到RAM区（由RAM_HIGH_ADRS变量指向的内存地址处），并解压缩。对于coldboot（冷启动）方式，将其复制到RAM区清零。昀后跳转到usrInit（注意：是bootConfig.c文件中定义的）函数进行执行。③bootConfig.c：usrInit：压缩。usrInit函数此处主要进行外围硬件初始化，为下载VxWorks内核映像做初始准备，而后创建tUsrBoot进程调用usrRoot程序进一步完成驱动程序初始化工作，为下载VxWorks内核映像做进一步工作，昀后创建tBoot进程调用bootCmdLoop函数完成VxWorks的内核映像下载。在下载完成后，调转到下载起始地址处执行，此时下载型VxWorks内核入口函数sysInit将被调用执行，真正开始VxWorks操作系统的启动过程。昀终在usrConfig.c:usrRoot函数执行完毕后，VxWorks操作系统即完成启动，系统进入正常运行状态。函数执行流程如下：（采用“映像类型：文件名：函数名”形式）专业始于专注卓识源于远见 ‐ 6 ‐bootrom:romInit.s:romInit→bootrom:bootInit.c:romStart→bootrom:bootConfig.c:usrInit→bootrom:bootConfig.c:usrRoot→bootrom:bootConfig.c:bootCmdLoop→完成VxWorks内核映像下载，并跳转到VxWorks