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基于xilkernel的嵌入式应用程序设计方法 - 软件编程-OS - 免费猫

发布时间:2020-02-17 14:13:02 阅读: 来源:玻璃磨边机厂家

基于xilkernel的嵌入式应用程序设计方法 - 软件编程/OS - 电子工程网

集成在virtex-ii pro器件中的powerpc405,是一个32位risc硬核,它支持coreconnect总线的标准外设集合。使用coreconnect总线,可以方便地控制多个外设。在edk集成开发环境下,对于多个外设,每个外设都有对应的任务。powerpc405默认的嵌入式内核是standalone,在其上开发的多个任务是宏观串行执行的,只有利用参数传递或全局参变量来建立各任务间的关系。在很多情况下,系统需要多个任务系统宏观并行执行,使用standalone显然是不合适的。而通过把嵌入的standalone内核改变为edk自带的xilkernel内核,适当地改变软件平台设置的内容,就可以实现多个任务的并行执行。xilkernel也支持多任务间通讯和中断。根据各种通讯方式,也可以建立各个任务之间的联系;通过中断,处理器可以及时响应外设产生的事件。

硬件系统结构

如图1所示,powerpc405使用FPGA外部的存储单元,使用coreconnect总线和外围接口。coreconnect总线的标准外设集合可以重复使用,使系统整合变的更加容易。

图1 powerpc405硬件系统结构

coreconnect总线结构

plb总线接口:用于powerpc405内核与高性能设备的连接。plb接口包括isplb接口和dsplb接口两种。其中,isplb接口用于外设与powerpc405指令缓冲的连接,dsplb接口用于外设与powerpc405数据缓冲的连接。

opb总线接口:片上外设总线,内核通过opb来访问低速和低性能的系统资源。它不是直接连接到处理器内核。处理器内核借助于“plb to opb”桥,通过opb访问从外设;opb总线控制器的外设可以借助“opb to plb”桥,通过plb访问存储器。

硬件平台构件

在edk集成开发环境中,由用户向导生成mhs文件,用户也可以根据mhs文件的语法添加自定义的外设。mhs文件用于描述硬件体系结构,其主要包括平台的处理器类型、总线结构、外围接口、中断处理和地址空间。

edk工具platgen使用mhs文件作为输入来创建硬件平台,它创建不同形式的网表文件(ngc,edif),下游工具的支持文件和顶级hdl包装以允许用户添加其他的组件到硬件平台。

软件系统结构

在edk集成开发环境中,mss文件用于描述软件体系结构,其主要定义了平台的内核、软件库、驱动程序和文件系统的参数。

edk工具libgen使用mss文件作为输入,定制驱动、库、文件系统和中断处理程序。

xilkernel模块结构

xilkernel模块结构如图2所示,xilkernel提供与内核的posix接口。但并不是每一个通过posix定义的概念和接口都是可用的。取而代之的是一个精细选择的子集,几乎覆盖了所有有用的接口和概念。其支持posix线程、posix无名信号量、xsi消息队列、posix互斥锁、中断处理等。

xilkernel的软件平台配置

xilkernel已经被设计为可以和edk软件和硬件流紧密共同工作,完全被整合在软件平台配置和自动的库、板级支持包产生机制之中。在软件配置平台,可以对xilkernel支持的功能进行配置,下面介绍一些主要的配置:

a、指定系统定时器的频率值和时间片间隔。

b、指定系统可以运行的线程数量、任务调度方式(这里我们设置为优先级抢占方式,以保证重要的突发事件及时得到处理)和系统中断控制器。

c、配置系统的通讯方式,可以通过这些开关来确定系统需要的通讯方式,并可以确定各个通讯方式的参数。包括消息队列、信号量等。

d、指定系统的静态任务,也就是完全进入内核后执行的第一个任务,可以在这个任务里产生和设置系统需要的其它任务。

e、一些增强系统功能的设置等等。

主要任务间的通讯方式和中断

必需的配置

首先要生成连接脚本,是通过硬件需要生成的,此脚本反映了xilkernel需要的不同的段存储器。比如.vectors段被分配于一个有64kb地址边界的存储器的开始,而.boot段在0xfffffffc处。其余的代码和数据存储器可以放在任何地方。

图2 xilkernel模块结构

其次,xilkernel是作为一个库来架构的。这意味着应用程序源文件仅需要连接xilkernel,就能够访问xilkernel的功能。这些需要设置编译器的库连接选项为xilkernel,并在用户代码中包含“xmk.h”文件。应用程序提供main()入口,然后通过调用xilkernel_main()作为内核的入口点。产生库、bsp并编译程序后,xilkernel将自动作为系统启动、初始化硬件核、中断和软件处理程序的一部分。下面是一个简单的内核入口代码:

#include xmk.h

/* 定义和声明 */

int main()

{

/* 用户完成预处理,不允许调用内核接口 */

xilkernel_main (); /* 开始内核 */

/* 程序不会执行到这里 */

}

/* 系统的静态任务 */

void * first_thread ()

{

/* 产生一些线程来处理用户需要 */

}

线程的创建

线程的创建及属性的简单设置可以由下面几个函数实现:

int pthread_attr_init (pthread_attr_t* attr)

int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t* attr, struct sched_param *schedpar)

int pthread_create (pthread_t thread,pthread_attr_t* attr, void* (*start_func)(void*),void* param)

pthread_attr_init()初始化线程的属性。thread_attr_setschedparam()来设置线程的优先级,attr是线程的属性,schedpar是包含有线程优先级的数据结构。pthread_create()创建一个线程,thread表明线程id,attr指出线程属性,start_func函数指针是线程创建成功后开始执行的函数,param是这个函数的一个唯一的参数。

在静态任务中调用这些函数来产生一些有优先级的任务。如下例:

static pthread_t tid0,tid1;

static pthread_attr_t attr;

static struct sched_param prio;

void * first_thread () { ......

pthread_attr_init( attr);

prio.sched_priority = 4;

pthread_attr_setschedparam ( attr, prio);

ret = pthread_create ( tid0, attr, (void*)important_task, null);

pthread_attr_init ( attr);

prio.sched_priority = 5;

pthread_attr_setschedparam ( attr, prio);

ret = pthread_create ( tid1, attr, (void*)second_important_task, null);

......

}

这样,系统会发起important_task和second_important_task两个任务,important_task的优先级比second_important_task高,会优先运行。除非important_task任务阻塞或退出,second_important_task才可能得到运行。

posix无名信号量

信号量提供高速的任务间同步和互斥机制。对于互斥,信号量可以上锁共享资源,使得该共享资源在同一时刻只有一个线程所拥有。关于此信号量的一些常用函数如下:

int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

sem_init()创建一个信号量,并初始化信号量的值为value;sem_wait()调用将阻塞进程,直到信号量的值大于0,此函数返回时信号量的值减1;sem_post()是将信号量的值加1,并发出信号唤醒等待的进程。

信号量用于同步,一般要初始化为0,等待要同步的任务阻塞在sem_wait()调用上。任务调用sem_post来解锁该信号量,来达到同步。下面一个例子是用信号量实现同步操作的:

static sem_t protect;

void * first_thread (){ ......

sem_init( protect, 1, 0);

......

}

void* thread_func1 (){......

while(1){

sem_wait( protect);

......

}

}

void* thread_func2 (){......

while(1){......

if(某种条件成立)sem_post( protect);

}

}

当信号量用于互斥时,一般要初始化为一个大于0的值,就可以让资源可用。如果信号量的初始值为1,第一个上锁该信号量的线程会立即执行,后继的线程将会阻塞,直到下次信号量解锁才会执行。

xsi消息队列

消息队列允许长度可变、数目可变的消息排队。任何任务或中断服务程序可以发送消息到消息队列。任何任务可从消息队列接收消息。关于此消息队列的一些常用函数如下:

int msgget(key_t key, int msgflg)

int msgsnd (int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)

ssize_t msgrcv (int msqid, void *msgp, size_t nbytes, long msgtyp, int msgflg)

msgget()来创建一个消息队列,key是消息队列的标识符,msgflag目前有两个选项,ipc_creat和ipc_excl。msgsnd()函数往队列发送一条消息,msgp是消息缓冲指向的指针,msgsz表示消息的字节数。msgrcv ()函数作用是从消息队列中读取消息,把接收到的消息拷贝到msgp指针指向的缓冲区,nbytes表示缓冲支持的消息字节数。发送和接收消息中的msqid是消息队列描述符,用来标识相关的消息队列。下面是消息队列单向通信的简单代码:

struct _msg {

short type;

char first;

char last;

};

static struct _msg msg_p;

static struct _msg msg_c;

static int msgid;

void * first_thread (){ ......

msgid = msgget(5,ipc_creat | ipc_excl);

......

}

void* consumer ()

{

while(1) {

msgrcv( msgid, msg_c, 4, 0,0 );

......

}

}

void* producer ()

{

while(1) {......

msgsnd (msgid, msg_p, 4, 0);

}

}

在例子开始,建立消息的数据结构。在producer()中操作消息的各项数据,通过msgsnd()发送此消息。在consumer()中,如果消息队列里没有消息,则msgsnd()阻塞此线程,直到消息队列非空时,msgsnd()才把消息复制到msg_p指向的数据结构中,此时此线程开始执行,并可以对接收到的消息进行处理。

中断

xilkernel已经被设计为可以和多个中断设备共同工作,用户用opb_intc ip核作为中断控制器来处理硬件中断。xilkernel仅支持一个中断控制器来连接ppc405的外部中断引脚,而且不支持中断控制器连接临界的中断。对于中断程序设计,xilkernel继承了standalone的中断处理方法。

在xilkernel_main()中已经完成了初始化powerpc405的中断表,并能使了中断控制器连接在处理器上的非临界的中断。下面是摘抄xilkernel_main()内部执行相关代码:

xexc_init(); /*初始化powerpc405的中断表*/

xexc_menableexceptions (xexc_non_critical); /*能使非临界中断*/

下面是开发应用程序要做的一些工作。首先,使中断控制器开始接收中断;其次,把必需的非临界中断添加到中断控制器上;再就是注册此非临界中断;最后能使此中断。下面是一个串口中断接收的简单代码:

void * first_thread (){......

xintc_mmasterenable(xpar_ myintc_baseaddr);

xintc_menableintr(xpar_ myintc_baseaddr, xpar_myuart_interrupt_mask);

xintc_registerhandler(xpar_ myintc_baseaddr, xpar_myuart_interrupt_intr,

(xinterrupthandler)uart_int_ handler,(void *)xpar_myintc_baseaddr);

xuartlite_menableintr (xpar_myuart _baseaddr);

......

}

void uart_int_handler(void *baseaddr_p) {/* 中断处理程序 */while(!xuartlite_misreceiveempty (xpar_myuart_baseaddr)) {

ch = xuartlite_recvbyte( xpar_myuart_baseaddr);

......

}

}

一个中断事件和中断处理程序相连接。而中断处理程序应该尽量短,如果中断处理程序不能完全处理此事件,可以由信号量同步发起一个任务来处理本事件。

结语

xilinx公司的vritex-ii pro实现了“微处理器+可编程逻辑”的可配置设计平台,其出众的性能受到高端应用的青睐。在此平台上利用xilkernel嵌入式操作系统,为嵌入式应用开发提供了极大的系统结构灵活性。本文仅介绍了几种常用的基于xilkernel的嵌入式应用程序设计方法,读者还可以利用互斥、软件定时器等实现其它的功能。读者也可以根据嵌入式开发的经验和xilkernel的强大功能,构建复杂的fpga嵌入式系统

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