实现嵌入式实时系统从优盘启动的可行性探析

引 言

随着USB技术的发展，优盘在PC机系统上已得到广泛的应用，基本上取代了软盘，PC机系统可以实现从优盘启动。由于优盘性能稳定，体积小巧，访问速度快，因此它也非常适合作为嵌入式实时系统的存储设备。这为嵌入式实时系统的启动提供了一种崭新的思路，即从优盘启动。这种方法对嵌入式实时系统板上的程序存储空间要求不高，只要在Flash中存储嵌入式实时系统的Bootrom程序即可，将系统的映像文件放在优盘上，实现实时操作系统从优盘加载。

目前基于VxWorks设计的嵌入式实时系统应用非常广泛。嵌入式实时系统的启动方式多种多样，WindRiver公司提供的参考BSP（Board support Package）包中就提供了几种启动方法。另外在参考文献［2］中，作者也提出了几种基于VxWorks的嵌入式系统的启动方法。这些方法可根据具体的应用需求，适当选取。笔者在开发CableModem时也都曾实现过这些方法。这些方法存在的共同问题是：虽然能更新板载程序存储器中的映像文件，但由于程序存储器一旦设计后就无法再扩展其存储空间;而在实际应用中，由于嵌入式系统功能的增强，系统映像文件的体积会不断增大，会出现超过目标板的程序存储空间的问题，从而使得新的映像文件无法烧录到目标板中。

嵌入式实时系统从优盘启动的显著优点主要表现在：更新系统映象文件方便（替换优盘中的影像文件即可，无需重新烧录）;启动快速（USB接口传输速度快），可适用于多种实时操作系统（保存在优盘中的映像文件也可以是使用其他嵌入式实时操作系统，如PSOS、Nuclues等开发生成的）;对系统的Flash存储容量要求小（Flash中主要存储Bootrom程序，而系统映像文件保存在优盘中）。

本文给出了实现嵌入式实时系统优盘启动的嵌入式主机硬件结构、软件协议栈以及主要程序流程，探讨了实现嵌入式实时系统从优盘启动的可行性。

1 嵌入式USB主控制器的硬件结构及驱动

嵌入式系统是软硬件紧密结合的系统。要实现从优盘启动，硬件上必须在嵌入式微处理器外围添加USBHOST主控制器;在软件上必须设计主控制器驱动程序 （HCD）、USB驱动程序、USB Client驱动程序以及应用程序。

1.1 嵌入式USB主机硬件结构

嵌入式USB主机硬件结构比较简单，只是在嵌入式微处理器外部加上USB主控芯片即可。在本项目中，嵌入式微处理器采用的是Motorola公司的MPC860T，USB主控制芯片采用的是SL811HS芯片。SL81lHS芯片是Cypress公司生产的、可支持全速数据传输的USB控制芯片，芯片内含USB主，主/从控制器，支持全速（full speed）/低速（low speed）数据传输，并能自动识别全速或低速设备。SL811HS所提供的接口遵从USBl.1标准。关于SL811HS更详细的使用方法请见参考文献［3］。使用SL811HS作为嵌入式USB主机控制器的系统硬件结构如图1所示。

1.2 嵌入式USB主机上的软件结构

从参考文献［4］可知，嵌入式主机要实现对其USB外设操作，必须有图2所示的3个软件结构层次：USB主控制器驱动器（HCD）、USB主驱动器（USBD）、USB没备驱动器。

在协议栈的最底部是USB主控制器USB HC（USBHost Controller），这是主系统中控制每一个USB设备的硬件部分。口前主要有两大类USB主控制器：一种是通用主控制器接口UHCI（Universal Host Controller Inter-face），另一种是开放主控制器接口OHCI（Open HostController Interface）。硬件厂商一般根据这两个规范设计USB主控制器。对于每一类型的主控制器都有一个与硬件独立的USB主控制器驱动器HCD（Host ControllerDriver）。WindRiver公司提供了两类驱动：usbHedUhciLib（UHCl主控制器库）和usbHcdOhciLib（OHCI主控制器库）。

USB主驱动器USBD（USB host Driver）和HCD之间的接口允许一个或超过一个的底层主控制器，而且WindRiver公司的USBD能够同时连接多个USB HCD。这样的设计特点可以使开发者建立复杂的USB系统。USBD是在HCD之上的与硬件独立的模块。USBD管理每一个与主机相连的USBD设备，向更高层次提供了可与USBD设备通信的路径。它还负责自动处理USBD电力管理以及USBD带宽管理;而且，USBD还管理USBHub。Hub能否正确工作，是对USBD进行评价的标准之一，因此WindRiver公司的USBD设计者要使USBD透明地实现Huh的功能。这意味着USBD还能处理USBHub和设备的动态插拔。

USB客户模块在USBD主驱动协议栈的顶端。USB类驱动（USB Class Driver）是Client模块的典型例子。USBD类驱动负责管理连接到USBD上的不同类型的设备，它们依靠USBD提供与每个设备的通信路径。USBClient模块的其他例子就是那些利用USBD与USB设备通信的应用程序。

2 嵌入式实时系统优盘启动软件程序设计

为实现对优盘的操作，在基于VxWorks设计的嵌入式实时系统中，需要设计的程序包括：USB主控制器驱动器、USBD主驱动器、USB块存储设备驱动程序、文件系统的安装以及应用程序通过文件系统读写优盘设备程序等，如图3所示。故要实现从优盘启动，需要在bootConfig..c文件中的usrRoot函数巾添加4个函数。

（1）初始化USB主控制器的函数

初始化HCD（USB Host Controler Driver）函数，即初始化SL81lHS并将其连接到指定总线上：LOCAL int fn-cAttach（pHRB_ATTACH pHrb）。

该函数词用SL811Init（）初始化SL811控制芯片。执行函数taskSpawn（“tSl81lint”，0，0，0x4000，（FUNCPTR）intThread，（int）pHost，0，0，0，0，0，0。0，0，O），创建intThread任务对发生的中断作出处理。

这里的intTbaead调用OSS_SEM_TAKE（pHost-》in-tPendi

ng，interval）阻塞，与中断服务程序intHandle同步。

调用函数processSl811hInterrupt（）处理硬件中断，读取中断状态寄存器判断中断类型。

调用UHC_INT_CONNECT（pHost，intHandler，pHost，&s）函数连接SL811主控制器芯片中断。UHC_INT_CONNECT是一个宏定义。

函数intHandler完成对中断的处理，调用函数OSS_SEM_GIVE（pHost-》imPending），释放用于中断和任务之间同步的二进制信号量。

（2）初始化USBD的函数

函数usbdInitialize（）初始化内部USBD数据结构，并依次调用其他USB驱动栈模块的入口。

函数usbdlnitialize（）调用usbdHcdAttach（execFunc，&s1811IOCfg，pToken）把HCD连接到USBD上。这里的execFunc就是函数usbHcdSl811hExee（）。

函数usbdInitialize（）调用USBEnumerate（USBD_CLIENT_HANDLE clientHandle，FILE*fout）列举所有连接到系统上的USB主控制器、Hub和USB设备。

（3）初始化USB存储设备的函数

函数usbBulkDevInit（）完成USB盘的初始化并安装DOS文件系统。

函数usbBulkDevlnit调用函数usbdClientRegister（“BULK_CLASS”，&usbdHandle）及函数usbdDynamicAt-tachRegister（usbdHandle，USB_CLASS_MASS_STORAGE，USB_SUBCLASS_SCSLCOMMAND_SET，USB_INTERFACE_PROTOCOL_BULK_ONLY，usbBulkDc-vAttachCallback），建立同USB的连接，注册回调例程。

函数usbBulkDevlnit调用函数OSS_THREAI）_CRE-ATE（bulkClientThread，（pVOID） fout，OSS_PRIORITYINTERRUPT，“tBulkClnt”，&bulkTaskId），创建一个任务，管理优盘的插入和移出。

其中bulkCliemThread例程调用pBulkBlkDev=（BLK_DEV*）usbBulkBlkDevCreate （bulkNodeld，NULL，NULL，USB_SCSI_FLAG_READ_WRITEl0）;安装USB设备。 调用pBulkDosVol=dosFsDevInit（“/ud0/”，pButkBlkDev，NULL）;安装DOS文件系统。

（4）从优盘加载映像文件的函数

设计USBDLoad（），实现映像文件VxWorks从优盘设备加载。USBDLoad（）函数主要包括以下语句：

修改bootConfig.c文件中的bootLoad函数，加入对从优盘启动的支持。主要加入以下语句：

重新编译、链接生成新的bootrom.hex，烧录到板子上的Flash中，将VxWorks映像文件拷贝到优盘上，将优盘插入到嵌入式主机的USB接口上。在启动的过程中，系统会自动装载优盘的VxWorks系统映像文件，实现基于VxWorks的嵌入式实时系统优盘启动。

3 总 结

在基于MPC860和VxWorks设计的嵌入式实验板上可实现嵌入式实时系统从优盘的启动。当然，在实际应用中还可以将嵌入式实时系统采集到的数据保存到优盘上，这样能方便地实现嵌入式设备和PC机设备资源的共享。