基于VxWorks的产品映象设计

摘 要： 本文分析了VxWorks的映象特点，设计了几种VxWorks下产品映象的构造方案，并指出了这些构造设计的应用场合。
关键词： VxWorks；映象；启动代码

     VxWorks是目前占垄断地位的实时操作系统，在许多领域获得广泛应用，但其产品映象设计却一直是令设计工程师头疼的问题。本文在实践验证的基础上，讨论了基于VxWorks操作系统上的产品映象设计技术，具有很强的实用性。

VxWorks的映象分析
    VxWorks映象内容包括：代码段(Text segment)、数据段(Data Segment)和符号起始块段(BSS Segment)。其中，代码段指可执行的指令集合；数据段指已经初始化的全局和静态变量；符号起始块段是未初始化的全局和静态变量，ANSI C/C++中要求这些变量初始化为零。

     VxWorks映象按类型分为：可下载的映象(Loadable images)、基于ROM的映象(ROM-based images)和ROM驻留映象(ROM-Resident images)三种。Loadable images一般用于调试，ROM或Flash中的启动代码BSP打通调试通道后，将其从PC机上装入RAM运行。ROM-based images整个映象在ROM或Flash中，由BSP从ROM或Flash中装载整个映象到RAM中运行，并分为压缩和非压缩方式。ROM-resident images则只拷贝VxWorks的data和bss部分到RAM中运行，运行效率低。

基于VxWorks的产品映象设计
     本文bootable VxWorks映象即为ROM-based images，downloadable应用模块对应Loadable images。VxWorks最终产品映象一般烧录在Flash中，但由于Flash容量有限，并且为了动态更换程序方便，有时需要使用两片Flash。其中，第一片小容量的Flash仅作为启动和下载程序功能，采用插件式，以便替换；第二片大容量的Flash存放用户应用代码，多采用贴片方式。具体VxWorks的产品映象构造可使用以下四种技术方案。

方案一
Flash中存放BOOT+OS+ APPLICATION代码(Tornado图形环境下选项为bootable映象，rules=VxWorks_rom)。

     在Flash中的 BOOT启动后，就将OS装入RAM，跳到OS入口点，OS执行，并由OS最终调起用户应用程序。这种设计最为简洁，只需一片Flash装载程序。缺点是，采用插件Flash容量很小，仅适合程序不大的场合；而采用贴片方式的Flash，则有一个头疼的程序烧写问题。

方案二
     第一片小容量Flash放BOOT代码；第二片大容量的Flash放OS+APPLICATION代码(Tornado图形环境下选项为bootable映象，rules=VxWorks)。

     由VxWorks的Loadable images启动过程可知，第一片Flash会将BOOT code拷贝到RAM_HIGH_ADRS为起址的RAM空间，BOOT code则将OS拷贝到RAM_LOW_ADRS为起址的RAM空间，并跳到OS入口点，即RAM_LOW_ADRS执行。所以这种方法是在第一片Flash启动后，接着将第二片Flash中保存的OS+APPLICATION映象拷贝到RAM的RAM_LOW_ADRS ~ RAM_HIGH_ADRS之间，然后跳到RAM中的RAM_LOW_ADRS地址处即OS入口点执行。

方案三
     第一片小容量Flash放BOOT代码；第二片大容量的Flash放BOOT+OS+APPLICATION(Tornado图形环境下选项为bootable映象，rules=VxWorks_rom)。

     第一片BOOT启动后，其代码执行的最后一句跳至第二片Flash的启动代码romInit()处执行。第一片Flash代码用来将程序下载到第二片Flash中，正常情况下则是简单地启动第二片Flash中已有的程序。在做第二片Flash中的BOOT+OS+APPLICATION映象时，需要将BSP中config.h文件的ROM_BASE_ADRS参数修改为第二片Flash的基址，表示基于第二片Flash启动运行。这里第二片Flash执行并不等同复位CPU，只是又执行了一次与第一片Flash中上电复位后内容类似的初始化代码并新启动了一个OS，这个OS重新接管了SDRAM以及CPU的所有寄存器等，而第一片Flash中代码不再执行。

     下面提供一种方法，通过第一片Flash中的代码，可以将远程PC机上编译好的二进制可执行文件 rom.bin(含有BOOT+OS+APPLICATION)ftp到第二片Flash：
/*(1)将PC ftp Server上的二进制可执行文件rom.bin(含有BOOT+OS+APPLICATION)ftp到target的SDRAM缓冲区buf中*/
if (ftpXfer ("server", "fred", "magic", "", "RETR %s", "/usr/appl", "rom.bin",
&ctrlSock, &dataSock) == ERROR)
return (ERROR);
while ((nBytes = read (dataSock, buf, 5*1024)) > 0)
{
buf = buf + nBytes;
TotalNum = TotalNum + nBytes;
}
close (dataSock);
if (ftpReplyGet (ctrlSock, TRUE) != FTP_COMPLETE)
status = ERROR;
if (ftpCommand (ctrlSock, "QUIT", 0, 0, 0, 0, 0, 0) != FTP_COMPLETE)
status = ERROR;
close (ctrlSock);
/*(2)将ftp到SDRAM中的内容写入第二片Flash中*/
writeFlash2(buf-TotalNum,FLASH2BASE,TotalNum);
/*(3)第一片Flash执行的最后一行代码是跳转到第二片Flash中第一条语句执行*/
FUNCPTR entry = (FUNCPTR)(FLASH2BASE+0x100);
go (entry);

方案四
     第一片小容量Flash放BOOT+OS+LOADER代码(Tornado图形环境下选项为bootable映象，rules=VxWorks_rom)；第二片大容量Flash放APPLICATION(Tornado图形环境下选项为downloadable应用模块且可重定位，rules=objects)，此片Flash必须有文件系统。
   
     第一片Flash中是一个完整的产品映象，等同于BOOT+OS+APPLICATION，LOADER就是一个简单的APPLICATION，利用VxWorks提供给用户的目标模块加载器loadlib来完成LOADER功能。在第一片Flash启动运行到LOADER时，由LOADER的loadModule()函数将第二片Flash的APPLICATION文件动态加载入RAM，并与OS连接为可直接执行的映象，然后用symFindByName()找到应用代码文件appl.o中用户应用入口点"ApplEntry"，最后跳到应用入口函数执行。

第一片Flash中的LOADER代码如下：
FUNCPTR StartEntry；
fd = open ("/Flash2/appl.o", O_RDONLY,0)；
loadModule(fd, LOAD_ALL_SYMBOLS)；
symFindByName(sysSymTbl,“ApplEntry”，(char **)&StartEntry，&Type)；
(*StartEntry)( )；
其中，(1)loadModule(int fd,int loadFlag)函数从指定的文件fd中装载目标模块，并将Text、Data、BSS段放入目标内存池中；(2)SymFindByName(SYMTAB_ID symTblId, char* name, char** pValue, SYM_TYPE* pType)从符号表中搜寻与指定符号名匹配的符号，并将值考入pValue和pType中。

VxWorks产品映象设计方案比较
     以上方案中，第一种设计只适合代码小的产品映象；第二、三、四种适合大容量代码的映象设计。第二种设计启动最快，但用户可修改性差，不灵活。第三种设计启动两次，速度慢，但可以做到动态远程更新包括BSP在内的整个第二片Flash中的映象。第四种必须在第二片Flash中有闪存文件系统TrueFFS，appl.o以文件形式存放其中，此设计最为复杂，但在增加远程程序下载更新功能方面十分方便。以上映象构造方案在实际中都得到成功验证，应用设计人员可以按照实际要求灵活选择。

参考文献
1 VxWorks Programmer’s Guide,5.4[M].WindRiver ,Inc．
2 Tornado User’s Guide,2.0[M].WindRiver ,Inc．
3 孔祥营，柏桂枝．嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado[M]．北京：中国电力出版社，2002.