嵌入式操作系统eCos在S698系列处理器上的移植
1 引言
嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系统（包括硬、软件系统）极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browser等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、标准设备驱动程序以及工具集等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。
eCos(Embedded Configurable Operating System，嵌入式可配置操作系统)是一种针对16位、32位和64位处理器的可移植嵌入式实时操作系统。由于其源代码是公开的，因而有越来越多的设计人员开始关注eCos操作系统。
eCos最大的特点是配置灵活，提供了大范围的可选项供开发人员配置操作系统，以最好地匹配应用的需求，这样就变成了调整操作系统来适应应用。典型的配置选项包括调度器的类型和任务优先级别数目等。当前,eCos具有200多个配置选项。eCos支持很多种平台，包括SPARC、ARM、I386、Powerpc、MIPS等等。针对新的体系结构，只需要移植eCos的HAL层，上层应用基本上可以不必或稍加改动。适合于用在一些商业级或工业级的嵌入式系统，如一些消费电子、汽车领域等等。相对于嵌入式Linux来说，eCos有配置灵活和节省资源的优势。它的另一个优点是使用多任务抢占机制，具有最小的中断延迟，支持嵌入式系统所需的所有同步原语(互斥、条件变量、计数型信号量、邮箱和事件标志)，并拥有灵活的调度策略和中断处理机制，因而具有良好的实时性。嵌入式Linux和eCos操作系统相比，eCos更适合于处理实时信号的设备，如移动通信、WLAN等通信设备的开发。
eCos内核调度机制如下表所示:
|
调度方式 |
调度方法 |
时间片调度 |
优先级数/个 |
任务数量/个 |
|
位图 |
优先级抢占式 |
无 |
32 |
32 |
|
多级队列 |
优先级抢占式 同级时间片调度 |
有 |
32 |
无限 |
2 S698系列处理器芯片简介
S698系列处理器芯片是国内拥有自主知识产权的高端芯片，在同类产品中处于国际先进水平，它的研发成功将打破国外对我国在航空航天、电子、船舶等领域的相关技术垄断。欧比特(珠海)软件工程有限公司是我国为数不多的能够设计、生产、研制嵌入式操作系统、专用芯片及其高端计算机系统的高科技企业。这一系列处理器广泛地应用于我国工业控制、电子信息以及特种行业等领域。S698-ECR处理器是欧比特（珠海）软件工程有限公司生产的S698系列的其中一款处理器。S698-ECR是高性能的、SPARC V8架构的、32-bit RISC嵌入式微处理器，采用0.18 µm CMOS工艺制造，QFP160封装。
2.1 S698-ECR处理器的特点如下:
1存储器控制器:
PROM, SRAM接口
片选信号生成器
等待周期生成器
存储器写保护
2. 外设:
4个24-bit定时器
1个24-bit看门狗定时器
80-bit GPI口
4个UART控制器
PS/2控制器
IIC总线控制器
SPI总线控制器
磁卡控制器
3个智能卡控制器
3. 集成调试支持单元（DSU : Debug Support Unit）和数据通讯链路 （ DCL : Data Communication Link）；
4. 集成64K字节的RAM，带有后备电源；
5. 优化的功耗设计, 内核功耗: < 4 mW/Mhz；
6. 先进的多时钟机制和时钟倍频机制；
7. 0.18μCMOS工艺生产
8. 性能
Ps/33 MFlops (double precision) @ 166 MHz
0.8 Dhrystone MIPS/MHZ
9. 级别 : 商业级
10.封装: QFP160
2.2 S698-ECR功能结构图
本文将以S698-ECR为例介绍eCos2.0在S698系列处理器上的移植。使开发人员对eCos的移植过程有一个全局的了解。利用eCos工具配置编译，使其在S698－ECR的开发板上运行。
3 eCos底层移植的基础知识
eCos文件目录结构图如下：
表:ecos目录结构说明
|
目录 |
说明 |
|
compat |
用于兼容POSIX(IEEE1003.1)和uITRON3.0的软件包 |
|
cygmon |
调试监视器cygmon的软件包 |
|
devs |
设备驱动程序组件的包，例如串口、以太网等。 |
|
error |
公共的错误和状态包，在不同的包中为错误和状态的报告提供公共的接口 |
|
fs |
包含ROM文件系统和RAM文件系统 |
|
hal |
目标硬件平台的HAL包 |
|
infa |
包含公共类型、宏、代码跟踪、断言和启动选项的eCos基础包 |
|
io |
独立于硬件设备的公共I/O系统支持包 |
|
isoinfra |
实现ISO C库（如stdlib 、stdio）和POSIX的包 |
|
kernel |
eCos内核中核心功能的包,包括主，调试器、信号量、线程 |
|
language |
ISO C库和数学库 |
|
net |
网络支持包 |
|
redboot |
调试用的Redboot ROM监视器 |
|
services |
包括动态内存分配、压缩和解压缩的支持库 |
eCos系统的主要组成部分如下图所示。
eCos的核心组件
实时嵌入操作系统包含一些标准的功能，例如中断和异常处理，线程同步机制，调度器和驱动程序等，这些也构成了eCos的核心组件。具体包括：
硬件抽象层(HAL)：用来向上层提供统一的硬件视图，屏蔽硬件的差异
内核： 包括异常处理，线程同步支持，调度器，定时器，计数器
ISO C和数学库：标准C函数库
设备驱动程序：标准串口，以太网卡，Flash ROM等
GDB支持：使得目标机上可以和主机通讯进行交叉调试
由上图可见,硬件抽象层是eCos嵌入式操作系统和硬件直接接触的基本层，其将系统内核和具体的硬件平台彻底隔离开, 实现了系统内核与硬件的无关性，这就是操作系统具有良好可移植性的体现。因此，对于开发人员来说，移植操作系统真正的意义和工作在于移植操作系统的硬件抽象层。
硬件抽象层主要包括三大模块——体系结构抽象层(Architecture HAL)、变体抽象层(Variant HAL)和平台抽象层(Platform HAL)。体系结构抽象层主要是指eCos所支持的具有不同体系结构的处理器系列，如SPARC系列、arm系列等等。变体抽象层指的是处理器系列中某款处理器在Cache、MMU和FPU等方面所具有的特殊性。平台抽象层则是对当前系统硬件平台的抽象，包括了平台的启动、芯片选择与配置、定时设备、I/O寄存器访问以及中断寄存器等等。平台抽象层代码的编写是eCos移植工作的重点。硬件抽象层HAL是对处理器结构和系统硬件平台进行抽象，当要在一个新的目标平台上移植eCos时，只需要对底层的硬件抽象层进行修改。
在图形化窗口中设置如下：
a)菜单"Build"->"Repsitory"设为/root/ecos/ecos-rep（ecos-rep为ecos的源代码包）；
b)菜单"Tools"->"path"->"Build Tools"设为
/opt/sparc-elf-3.4.4/bin(sparc-elf工具链的位置)；
c) 所有选项默认设置。
设置完毕后,保存
d) 菜单"Build"->"Generate Build Tree" 生成makefile等文件;
e) 菜单"Build"->"library" 生成eCos二进制文件,在/root/ecos/生成ecos_install目录。
到此为止，移植工作结束。生成ecos_install目录内是eCos的头文件和链接文件，应用程序可以编译链接这些文件生成可运行应用程序。
5 结束语
本文主要研究了ecos操作系统的内核结构，并研究其在S698系列处理器的移植过程。eCos操作系统已在S698系列处理器上经过实际测试，系统稳定可靠，可运行多任务应用程序。所具体讨论的移植过程有助于开发人员了解eCos操作系统的运行原理，方便开发人员在S698系列处理器上用eCos进行军用民用领域的项目开发。
参考文献：
[1] S698P-SOC eCos Reference Manual, 欧比特（珠海）软件工程有限公司, 2006
[2] eCos使用说明, 欧比特（珠海）软件工程有限公司, 2006
[3] eCos操作系统针对并行S698P-SOC的启动初始化过程, 欧比特（珠海）软件工程有限公司,2006
[4] S698-ECR用户手册, 欧比特（珠海）软件工程有限公司, 2004
[5] 嵌入式可配置实时操作系统eCos软件开发(Embedded Software Development with eCos)，北京航空航天大学出版社，2006