嵌入式系统底层软件结构模型建构与协同性分析

摘 要：从探讨嵌入式系统结构和协同性角度出发，分析了嵌入式系统是否采用操作系统的原因以及与硬件层密切相关的嵌入式系统底层启动加载软件 Bootloader 和板级支持包软件BSP 的特性分析，给出相关模型、协同性设计流程、Bootloader 以及BSP 主要过程。为嵌入式系统的设计与应用提供有益的帮助。

0.引言

嵌入式技术被广泛应用于信息家器、消费电子、交换机以及机器人等产品中，与通用计算机技术不同，嵌入式系统中计算机被置于应用环境内部特征不明显。系统对性能、体积、以及时间等有较高的要求。复杂的嵌入式系统面向特定应用环境，必须支持硬、软件裁减，适应系统对功能、成本以及功耗等要求。

0.1 嵌入式系统与协同性

从信息传递的电特性过程分析，嵌入式系统特征表现为，计算机技术与电子技术紧密结合，难以分清特定的物理外观和功能，处理器与外设、存储器等之间的信息交换主要以电平信号的形式在IC 间直接进行。

从嵌入深度ED来看，信息交换在IC 间越直接、越多，嵌入深度就越大。

在设计实验系统模型（图1）时，充分考虑到软硬协同性，使其成为一个实验与研究完备平台。软硬件协同性问题涉及到协同性划分技术和协同性设计技术。协同性核心问题之一将涉及启动加载软件Bootloader、系统板级支持包BSP 以及嵌入式OS 之间融合和移植。协同性设计技术与系统功能、性能以及开发人员等因素相关，其核心内容为软硬件的协同描述、验证和综合提供一种集成环境。

嵌入式系统结构模型

图 1. 嵌入式系统结构模型

0.2 没有操作系统OS 的嵌入式系统

0.2.1 系统特点

由于系统的性质、任务、成本等原因，没有操作系统支持的嵌入式系统将继续大量存在。这样的系统使用专用开发工具(如：仿真在线调试器ICE 等)。通过串口或并口在ＰＣ机上联机调试程序，具有源代码调试功能。

0.2.2 局限性分析

没有OS 的系统按照“指令顺序执行+中断”的模式运行。在作者参与的早期程控交换机系统设计中，需要对不同端口量级（从10 到1000 等）的分机进行实时处理。通过建立交换系统核心硬件层（存储体、第一层I/O 等）以及用户口地址等程序；然后建立定时和非定时事件、过程以及任务中断链和任务表，应用中断对任务以及过程调度。设计人员要完成相当于部分操作系统功能的编写，导致软件结构复杂、工作量大尤其是重复劳动。

0.3 具有OS 的嵌入式系统

图1 的2 嵌入式系统就是具有嵌入式OS 的一种结构模型。引入嵌入式OS 可以面对多种嵌入式处理器环境（如：MPU、DSP、SOC 等）提供类同的API 接口，使基于OS 上的程序具有较好的移植性。从协同划分与设计技术出发，通过嵌入式软件的函数化、产品化能够促进分工专业化，减少重复劳动。
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1. Bootloader/BSP 特性

Bootloader 与BSP 配合，通过初始化硬件设备、建立内存空间映射，“屏敝”硬件环境，为调用操作系统内核和应用程序运行作好准备。

1.1 Bootloader 特性与结构分析

Bootloader 是系统加电后首先运行的程序，主要依赖于硬件,建立一个通用版本几乎不可能。即使同一CPU，硬件稍作变化，Bootloader 也必须修改。建立良好的BootLoader 结构，为系统二次开发以及减轻BSP的开发难度、可移植提供有益帮助；同时，也是保护硬件平台设计知识产权的重要措施。

启动过程分单阶段（Single STage）和多阶段（Multi-Stage）。从协同性划分技术角度，设备初始化程序等通常放在stage 中，stage2 设置内核参数和调用，应具有可读性和可移植性。从固态存储设备上启动的Bootloader 大多都是两阶段的启动过程。Bootloader 的存贮体和分区：Flash/RAM/固态存贮器（图2）；Flash 存储分区有连续和非连续两种方式。当系统需要多媒体等功能，用DOC（Disk ON Chip）技术解决大容量嵌入式OS 的存贮。

空间分配结构示意图

图2. 空间分配结构示意图

1.2 BSP 特性

作为板级支持软件包BSP 处在一个软硬件交界的中心位置，结构与功能随系统应用范围表现较大的差异。不同的硬件环境和操作系统，BSP 具有不同的内容与结构。从协同性角度，在系统设计初始阶段，就必须考虑BSP 可移植性、生成组件性以及快速性。如，BSP 的编程大多数是在成型的模板上进行，保持与上层OS 正确的接口。

2. Bootloader/BSP 协同性与设计

在建构嵌入式系统的过程中，应从系统结构和协同性角度，关注底层软件的设计。bootloaer 和BSP构成底层软件设计的核心内容，与硬件、过程、功能划分结合紧密。

2.1 Bootloader 与BSP 协同性分析流程

首先用对任务所涉及的功能和过程进行系统级划分，确定将功能划分给软件还是硬件，对执行确定相关的“延迟”特性。形成模型创建、配置、*估等协同流程，克服传统孤立的设计模式。在面对系统低层软件Bootloader 与BSP 设计时，在前面分析系统结构以及特性基础上，给出如下系统性流程图。

系统底层软件结构模型

图 3. 系统底层软件结构模型

2.2 基于ARM-μCLinux 系统bootloader 设计

在系统结构模型以及设计流程的基础上，下面通过实例说明bootloader 的主要设计过程。

基于ARM-μCLinux 嵌入式系统的启动引导过程：通过串口更新系统软件平台，完成启动、初始化、操作系统内核的固化和引导等。硬件平台由内嵌ARM10 的处理器、存储器2MBFlash 和16MBSDRAM、串口以及以太网口组成。软件平台组成：系统引导程序、嵌入式操作系统内核、文件系统。采用Flash 存储bootloader、内核等，直接访问内核所在地址区间的首地址。
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2.3 μCLinux 内核的加载

系统采用μCLinux 自带的引导程序加载内核，用自举模式和内核启动模式相互切换；同时,切换到内核启动模式，自动安全地启动系统。针对ARM7TDMI 的无MMU 特性，采用修改后的μCLinux 内核引导程序加载操作系统和初始化环境，解决内核加载的地址重映射问题和操作系统的内存管理问题。

2.4 WinCE 系统下BootLoader

完成定制WinCE 的加载主要工作是编写启动加载程序bootloader 和板级支持包BSP。Bootloader 涉及到基本的硬件操作，如CPU 的结构、指令等，同时涉及以太网下载协议TFTP 和映像文件格式。Bootloader支持命令输入的方式，不用人工干预加载WinCE，其主控部分通过串口来接收用户的命令。

2.5 系统板级支持包BSP

由于硬件环境、Bootloader 映射范围以及二次开发等原因，系统启动加载程序Bootloader 不能把经过裁剪的OS 直接引导进入硬件环境，需要建立BSP 文件，如VxWorks 的BSP 和Linux 的BSP 相对于某一CPU 来说尽管实现的功能一样，写法和接口定义可以完全不同。BSP 的结构与内容差异性较大，依据不同的系统和应用环境，应设计建立合理、稳定的BSP 内核。

2.6 交叉融合

在分析过程、任务划分以及系统协同性的基础上，对系统底层软件设计应考虑Bootloader、BSP、接口以及应用程序交叉与融合。应用 BSP 组成灵活性，设计充分考虑软硬件协同。接口驱动程序，如网络驱动、串口驱动和系统下载调试、部分应用程序可添加到BSP 中，从系统结构的角度是，简化软件层次和硬件尤其是存贮体系结构，当操作系统运行于硬件相对固定的系统，BSP 也相对固定，不需要做任何改动，建立独立的应用程序包。如果BSP 中的应用程序不断升级，将对系统稳定性造成影响。

图 4 表征了嵌入式系统三个软件环节的结构变化，Bootloader、BSP、接口驱动程序以及部分应用程序将产生融合与交叉。对于一次开发功能强大的嵌入式系统，应充分利用嵌入式处理器供应商提供的Bootloader，使建立BSP 的过程变得相对容易。

软件交叉与融合示意图

图 4. 软件交叉与融合示意图

3.结束语

通过对嵌入式系统结构与协同性探讨，分析了嵌入式系统的特点和协同性。应用结构协同思路与流程，建立一个结构良好与嵌入式核心硬件层密切相关的 Bootloader 和BSP，对顺利植入裁剪良好的OS、简化软件结构以及保护硬件平台知识产权都有重要意义。嵌入式处理器种类多，系统结构不尽相同，Bootloader 和BSP 的内容随之会产生差异，应充分考虑系统协同问题，避免传统的多次设计、反复实验的方式，为实际应用提供有益帮助。