嵌入式Nucleus 系統中驅動接口的實現

劉洲洲，李 賀

(1.西安航空技術高等專科學校電氣工程系，西安 710077;2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

隨著嵌入式系統的飛速發展，嵌入式實時操作系統廣泛地應用在制造工業、過程控制、通訊、儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事、裝備、消費類產品等方面。今天嵌入式系統帶來的工業年產值超過了1 萬億美元。當前嵌入式操作系統有數百種，比較流行的有Nucleus Plus，QNX，Lynx OS，Psos，VRTX，VXWorks，Windows CE 等。它們各有特色，用戶可以根據自身的軟硬件環境要求，選擇合適的操作系統。Nucleus 已經成為嵌入式應用的潮流和方向，剖析Nucleus 中多進程控制的實現方法具有重要的意義［1］。

2 關于Nucleus

嵌入式實時操作系統Nucleus是美國著名RTOS 廠商ATI(AcceleratedTechnologyInc)公司，為實時嵌入式應用而設計的一個搶先式多任務操作系統內核。只需一次性購買Licenses，就可以獲得操作系統的源碼。

Nucleus 對于各層協議都提供源碼，其95%的代碼是用ANSIC 寫成的，非常便于移植并支持當前流行的大多數RISC、CISC、DSP 處理器，比如:80x86(實時、保護模式)、68xxx、PowerPC、i960、MIPS、SH、ARM、ColdFire 等。Nucleus 系統對于不同的處理器，操作系統的源碼大部分是相同的，只有5%的源碼是用匯編寫的跟CPU 有關。如果使用另外的CPU，則只用修改5、6個匯編程序就可以進行移植。但是對于不同系列的處理器，它們的Compiler、Linker、Debugger是不同的，而且編譯預處理的過程也是不一樣的，這就要投入一部分力量去進行操作系統的移植［2］。

Nucleus 不用寫板支持軟件包(BSP)，因為操作系統已經開放，不同的目標板在操作系統BOOT時可以通過修改源碼進行不同的配置，同時調試時也可以跟蹤到中斷、寄存器那一級，簡化了硬件調試。Nucleus PLUS是一組C 函數庫，應用程序代碼與核心函數連接在一起，生成一個目標代碼，下載到目標板的RAM 中或直接燒錄到目標板的ROM 中執行。在典型的目標環境中，Nucleus PLUS 核心代碼區一般不超過20K 字節大小，內核規模非常小。

3 系統驅動實現步驟

3.1 系統結構

Nucleus 系統結構如圖1 所示。

圖1 Nucleus 系統結構框圖

系統復位時，系統從驅動引導，開始對硬件的Register、端口、中斷、clock 及必要的外設進行初始化。

驅動初始化成功后，進入Nucleus 系統層，將整個控制權交給操作系統。

在操作系統層，開始也是進行一些操作系統的初始化工作，重載操作系統所需的中斷服務程序(ISR)，啟動操作系統所需的時鐘，調用Application_Initialize()函數。Application_Initialize()函數是操作系統為Application 提供的接口，圖形系統、驅動、文件系統、GUI、啟動Desktop 任務等初始化工作都在這個函數中進行。最后進入OS的控制中心，進行任務調度管理。將控制權交給操作系統之前，驅動層不能調用任何操作系統層的函數。由于Nucleus 操作系統調用的模塊增多，會導致__main()函數中啟動SWI 中斷，從而導致系統異常。因此，在bios模塊中不能把retarget.c 文件連接到目標碼中，但是這樣做又會導致程序的全局變量初始化失敗，解決的方法是在BIOS 啟動后，不調用__main()，改調用

Init_SysData()。

3.2 通用接口API 實現方法

(1)啟動部分

中斷向量表位于系統空間的邏輯地址0x0 處，具有如下結構:

(2)BIOS 層應該提供如上所述的中斷向量表、系統啟動代碼、中斷服務程序，來保證系統的基本運行。處理器復位后即進入系統啟動入口(0x0)，執行BIOS 所提供的啟動程序。在這里BIOS 應該初始化或重新設置MCU/DSP的狀態或參數;另外，BIOS 應該提供可供OS 重載的中斷服務程序功能。BIOS 啟動完畢即進入NUCLEUS 操作系統的啟動部分(OsStartup())，將控制權交給OS，OS 會通過BIOS提供的中斷服務重載功能將中斷入口切換到自己的中斷服務程序中。同時BIOS 還需要告訴OS系統RAM 空間的offset 和size，OS 將據此進行資源分配等，BIOS 應該為OS 分配一個專用的定時器Timer，供Nucleus OS 使用;同時返回此定時器的中斷向量號。

(3)中斷部分:如上所述，驅動應該提供可供操作系統重載的中斷服務功能。驅動向操作系統提供接口:Extern void ReloadIntEntry(void*handler);功能:載入Nucleus OS的中斷服務跳轉表。操作成功后，硬件的所有中斷都進入Nucleus OS 中斷管理中心，然后，由Nucleus OS 中斷管理中心調度該中斷的低級中斷服務子程序LISR。

(4)LISR(低級中斷服務程序)和HISR(高級中斷服務程序)部分:Nucleus的中斷服務是一種管理式的服務，分為LISR 和HISR。每一種中斷都需要向操作系統注冊該中斷向量，中斷產生后通過該中斷向量注冊的低級中斷服務程序(LISR)來激活高級的中斷服務程序(HISR)。LISR 主要完成硬件中斷的處理及激活HISR。HISR的調度類似于任務，具有優先級，可以使用大多數Nucleus的系統調用。OS 封裝了中斷過程中的現場保護、恢復和調度等，向BIOS 層提供如下接口:STATUS OS_Register_LISR(U8 vector，void (*new_lisr)(INT));功能:向Nucleus OS 注冊一個低級中斷服務程序(LISR)。用戶每打開一個新的硬件中斷，都必須先調用此功能函數向Nucleus OS 注冊，否則，將出錯。

(5)操作系統定時器:驅動應該為操作系統分配一個專用的定時器Timer，供Nucleus OS 使用;同時返回此定時器的中斷向量號。驅動向操作系統提供的接口:Extern U32 OpenOsTimer(U16 ms);功能:打開操作系統專用的定時器。Extern void ClearOsTimerPnd(void);功能:進入Timer 中斷后，清除Timer 中斷的狀態位，使Timer 中斷復位。

(6)UART 驅動:UART 應該向OS 提供UART設備的初始化、參數的設置等功能。OS 內置了I/O設備的統一管理模塊，包含兩個I/O 緩沖，通信事件處理等等。操作系統為每個UART 設備分配一個設備號，對應如下:

通信設備驅動管理為UART 提供下列接口:

Extern BOOLEAN commdev_read(U8_T dev_id，U8_T code);功能:設備接收到一個字符后，交給OS的通信設備驅動管理;

Extern BOOLEAN commdev_write(U8_T dev_id，U8_T *pCode);功能:設備發送一個字符前，從OS的隊列管理模塊中取出下一個要發送的字節;

(7)驅動的初始化Nucleus OS 啟動后，會回調一個 驅動提供的初始化所有Driver的函數，該函數接口如下所示:void DriverInit(void);驅動中的所有初始化工作都必須在此回調函數中完成，否則系統異常。

4 結束語

Nucleus是一種實時、多任務的嵌入式操作系統。它可以管理各種系統資源，調度任務的運行。Nucleus 使嵌入式多任務開發省時、省力，并且提高效率。它已成為嵌入式應用的潮流和方向。深入剖析Nucleus 驅動通信接口的實現機理，對于嵌入式實時操作系統的開發具有重要意義。

［1］Nucleus Plus Reference Manual［M］.Unites States:AcceleratedTechnology，Inc.，2000.

［2］魏振華.嵌入式實時操作系統Nucleus 中線程控制部件的實現［J］.計算機應用與研究，2003，16(4);97－99.