嵌入式实时操作系统VxWorks入门 爱国者导弹, 火星探测器, 军事演习, 轰炸机, 战斗机

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VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。VxWorks原先对中国区禁止销售，自解禁以来，在我们的军事、通信、工业控制等领域得到了非常广泛的应用。
VxWorks的实时性体现在能于限定的时间内执行完所规定的功能，并能在限定的时间内对外部的异步事件作出响应。因此，实时性系统主要应用于过程控制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合。本文将对这个操作系统进行一个入门级的、全面的介绍。为力求展示其全貌，全文共分五章：
(1)搭建VxWorks嵌入式开发环境;
(2)简要介绍VxWorks的基本组成，内核的基本结构;
(3)概述VxWorks板级支持包(BSP)的概念及VxWorks的启动过程;
(4)介绍VxWorks设备驱动的架构及编写方法;
(5)指明VxWorks应用开发的思路，任务调度及任务同步、中断与任务的同步机制。
以上各章中将贯穿着许多实例，由于本文定位于入门级教程，所以文中的实例都将十分简单。下面我们进入第一章内容的讲解。
嵌入式系统的调试方法一般为通过PC(宿主机)上的集成开发环境交叉编译针对特定电路板(目标机)的程序，然后将程序通过目标板的JTAG、串口或网口等途径下载到目标板上运行。因此，为了构造一个嵌入式系统的学习环境，拥有一块包含CPU、存储器及I/O电路(构造计算机系统)的目标电路板往往是必要的。虽然许多集成开发环境附带模拟软件，但仅限于指令集的模拟，均无法模拟物理的目标机硬件平台，因而在其上只能进行应用程序的象征性模拟开发。但是，并非所有人都能拥有一块物理的电路板。在这种情况下，我们如何构造一个模拟的开发环境，其学习效果就如同拥有完全真实的电路板一样呢?本文试图解答此问题，主体内容包括四个方面：
(1) 利用VMware等软件模拟真实的目标机;
(2) 构建VMware虚拟PC上VxWorks BSP，建立Bootrom和OS映像;
(3) 修改Tornado相关设置，连接宿主机与目标机，建立调试通道;
(4) 写一个简单的应用程序并下载到目标系统运行。
图1 嵌入式系统的调试
本章工作的最终目标为：
(1)VxWorks在VMware启动成功并顺利运行，如图2;
图2 在VMware中运行的VxWorks
(2)可在Tornado上针对目标板编译程序并进行调试，如图3。
图3 与目标机建立调试通道的Tornado
1. 模拟目标机
PC也具有目标机的所有特点，实际上，我们可以把PC作为嵌入式系统的目标机，从而构造如图4所示的开发模型：
图4 PC作为目标机
很遗憾，这种方法实际上非常麻烦，同时开动两台PC进行调试将使你和你的室友饱受折磨，既然他如此地热切于游戏和上网。因此，我们可以借助VMware来在本机上虚拟出另一PC。
VMware的确是天才的作品!在同一PC上，利用VMware几乎可以安装所有的操作系统，而且操作系统之间的切换不需要重新启动电脑。VM的意义是Virtual Machine，即虚拟出一个逻辑的电脑，它可以提供基于Intel CPU的虚拟PC系统环境，包括CPU、内存、BIOS、硬盘和其他外围硬件设备。
下面我们讲解用VMware来建立一台虚拟PC的步骤：
(1)下载并安装VMware;
(2)使用VMware向导建立一个针对VxWorks的虚拟机;
此步骤中注意在操作系统中选择“other”，如图5：
由于目标机最终通过软盘启动，因此要求你的电脑具有软驱。很遗憾，当年日常使用的软盘如今成了古董，很少再有电脑配备软驱。因此，我们再来制造一个假冒伪劣产品，虚拟一个软驱。又一个天才的工具软件RamDiskNT为我们提供了这一便利，图6演示了用RamDiskNT虚拟一个1.44M软盘的方法。
仅仅虚拟一个软驱是不够的，把这个软驱添加到我们建立的虚拟机中才算修成正果，图7演示了添加软驱后的虚拟机硬件设置。
图7 包含软驱的虚拟机
2. 构造BSP
2.1下载和编译网卡驱动
VMware为运行于其上的操作系统提供虚拟网卡支持，该网卡类型即为AMD的PC-NET，在Tornado开发包中已经包含了该类型网卡的驱动程序，但经过测试，在VMware环境中该驱动无法正常工作，所以可从AMD的网站上下载最新的驱动程序。下载得到的是一个可执行的安装程序，运行该程序将得到一个压缩包和一个帮助文件，按照该帮助的要求，将压缩包直接释放到Tornado目录下。如果提示是否允许覆盖文件，则选择允许。
此后按如下步骤完成驱动程序的编译和替换：
(1)打开一个控制台窗口，运行批处理程序：
C:\tornado2.2\host\x86-win32\bin\torVars.bat;
该批处理文件用于设置环境变量，其内容为：
rem Command line build environments
set WIND_HOST_TYPE=x86-win32
set WIND_BASE=C:\Tornado2.2
set PATH=%WIND_BASE%\host\%WIND_HOST_TYPE%\bin;%PATH%
如果没有设置成功，可以手工设置这些环境变量。
(2)定位到C:\tornado2.2\target\src\drv\end目录，运行：
make CPU=PENTIUM tool=gnu ln97xend.o
(3)定位到C:\tornado2.2\target\lib\pentium\PENTIUM\common目录，并将上一步生成的文件ln97xend.o复制到此目录下。备份此目录下的文件libdrv.a;
(4)运行命令arpentium -d libdrv.a ln97xEnd.o，删除libdrv.a中原有的ln97xEnd模块;
(5)运行命令arpentium -ra iOlicomEnd.o libdrv.a ln97xEnd.o将我们刚刚创建的新ln97xEnd模块添加进去。
2.2修改配置文件
我们要修改编译VxWorks的配置头文件Config.h中定义的一些参数，使编译出来的系统引导程序和VxWorks的映象符合我们的要求;同时还要修改sysLn97xEnd.c这个文件，以使系统的网络功能正常运行。
(1)定位到目录C:\tornado2.2\target\config\pcPentium并打开该目录下Config.h文件;
(2)查找到定义DEFAULT_BOOT_LINE宏的地方，修改预处理条件CPU == PENTIUM分支下的定义如下：
#define DEFAULT_BOOT_LINE \
"lnPci(0,0)your_host_name:d:\\VxWorks h=192.168.80.169 e=192.168.80.254 u=target pw=VxWorks tn=target"
其中：
lnPci(0,0)指定了使用第0个网卡和第0个处理器，lnPci这个标识会因为使用的驱动程序不同而有所不同，但这里用lnPci就可以了;host指定你的主机的名字，使用host就可以;d:\\VxWorks指定了VxWorks映象下载的完整路径(后面会有说明);h=192.168.80.169是宿主机的IP地址，可以根据实际情况修改;e=192.168.80.254是目标机的IP地址，可以根据实际情况修改;u=target指定了FTP服务器的用户名，这个FTP就是用来下载VxWorks映象的;pw=VxWorks是FTP服务器与用户名target对应的密码;tn=target指定目标机的名字，任意指定即可。(3)指定网卡驱动程序
首先定位到“Network driver options”这段文字，保证INCLUDE_END和INCLUDE_LN_97X_END这两个宏处于定义状态(define)，其他的宏都处于未定义状态(undef)，即：
以下是引用片段：
/* Network driver options */
#define INCLUDE_END /* Enhanced Network Driver Support */
#undef INCLUDE_DEC21X40_END /* (END) DEC 21x4x PCI interface */
#undef INCLUDE_EL_3C90X_END /* (END) 3Com Fast EtherLink XL PCI */
#undef INCLUDE_ELT_3C509_END /* (END) 3Com EtherLink III interface */
#undef INCLUDE_ENE_END /* (END) Eagle/Novell NE2000 interface */
#undef INCLUDE_FEI_END /* (END) Intel 8255[7/8/9] PCI interface */
#undef INCLUDE_GEI8254X_END /* (END) Intel 82543/82544 PCI interface */
#define INCLUDE_LN_97X_END /* (END) AMD 79C97x PCI interface */
#undef INCLUDE_ULTRA_END /* (END) SMC Elite16 Ultra interface */
#undef INCLUDE_BSD /* BSD / Netif Driver Support (Deprecated) */
#undef INCLUDE_EEX /* (BSD) Intel EtherExpress interface */
#undef INCLUDE_EEX32 /* (BSD) Intel EtherExpress flash 32 */
#undef INCLUDE_ELC /* (BSD) SMC Elite16 interface */
#undef INCLUDE_ESMC /* (BSD) SMC 91c9x Ethernet interface */
(4)包含PC_CONSOLE
缺省情况下，VxWorks系统是不接受外部输入设备(如键盘)的输入，也不向外部输出设备(如显示器)输出数据。为了便于调试，我们必须改变它的这种缺省状态，包含对PC控制台的支持。查找定位宏INCLUDE_PC_CONSOLE，保证其处于定义状态(define)即可，即：
以下是引用片段：
#define INCLUDE_PC_CONSOLE /* PC keyboard and VGA console */
#ifdef INCLUDE_PC_CONSOLE
# define PC_CONSOLE (0) /* console number */
# define N_VIRTUAL_CONSOLES (2) /* shell / application */
#endif /* INCLUDE_PC_CONSOLE */
(5)修改sysLn97xEnd.c