实现一个最简单的嵌入式操作系统(三）

如何实现一个最简单的操作系统

这里为了简单，就不考虑可移植性开求，不从BOOT部分来接收参数，也不对硬件进行检测，
也不需要进行DATA段，代码段的重定位。我只是读了LINUX内核相关部分，并未自己去实现
一个操作系统，所以我以下所说的只是概念性的东西：

1.接管系统的中断处理，由于BOOT部分的代码决定了那个中断向量表，从而决定了系统中断
之后进入的内存位置，但BOOT并不知道操作系统的中断处理函数位置所在啊，怎么办呢？
有几种方法，其一是：如果你的板子可以重映射地址，也就是可以将内存条所在的位置
重映射成0x0开始，那么在链接内核的时候，就将操作系统自己的中断向量表定位在0x0处
并且在BOOTLOADER引导结束时就完成映射操作，并让CPU跳转到0x0处执行；如果没有重映
射功能，我就不晓得怎么办了，不过我想到一个折衷的办法，就是在BOOTLOADER启动完成
时（也就是将CPU控制权交给操作系统内核时），重新改写FLASH的0x0区域，就是将操作
系统的内核的中断向量表写入FLASH区的0x0处，比如，当一个IRQ发生时，CPU决定了会
跳入0x18（假设这里FLASH占用地址总线0x0至0x0fffffff,内存占用0x20000000至0x2fffffff）
，而BOOTLOADER在最后将0x18处的代码修改成了0x20000000加上0x18的地址处的代码，而这个
地址就是内核的中断向量表中的相关跳转指令，就相当于跳转进了内核所关联的IRQ处理函数
的地址上去执行中断处理函数了，而这样的不好之处在于：当系统重新上电之后，BOOT的
中断向量表已经被修改，除非BOOT本身不使用中断，呵，在这样简单的系统中，BOOT是不
需要中断功能的

2.这里为了简单，所以没有使用分页内存管理，就不需要建立页表等操作，直接进行操作
系统的堆栈设置，同BOOT一样的设置过程一样，接着就进行BSS段清零操作，这里的BSS段
是指操作系统自身的BSS段，与BOOT的BSS段是同一个含义只是用在了不同的地方了，接着
就跳入了MAIN函数

3.为了最大可能的简单，采用静态建立任务结构数组，比如只建立十个任务，那么首先要
为这十个任务结构分配段内存，可以在堆上分配（这个分配的内存直到操作系统结束才会
被释放，当然也可以指定一片操作系统的其它地方都用不到的内存区域，不过这样写的话
就有点外行的味道了，而符务结构数组的指针却是全局变量，存放在BSS段或者DATA段），
由于在上一步中已经分配了一个系统堆栈，那么我们这十个任务就分享这总体的堆栈区域
这里的重点就是如果定义每个任务结构数组里面的结构，可以参照LINUX的相关部分设计

4.中断处理：在第一步中已经确定了CPU进行相关的几类型的中断跳转地址，而相同类型
的中断却只有一个入口地址，这里的中断处理就会完成以几个动作：
其一：入栈操作，包括所有寄存器入栈，至于这个栈，就是在第二步中所设置的IRQ栈，
其二：屏掉所有中断，呵，这里为了简单起见，所以在处理中断时不允许再次发生中断
其三：读取中断相关的寄存器，判别是发生了什么中断，以至于跳进相关的中断处理函
数中去执行（在这里只包括两种中断，一是时钟中断，另一个是SWI中断，也就是所谓
的系统调用时需要用到的）
其四：等待中断处理完成，然后就开启中断并出栈，恢复现场，将CPU控制权交给被中断
的代码处
注意：
其一：在MIAN中必须首先确定整个系统有哪些需要处理的中断，也就是有哪些中断处理
函数，然后才编写这里的中断处理函数
其二：本操作系统不处理虚拟内存，其至连CPU异常都不处理（一切都为了简单），一旦
发生异常，系统就死机

5.对TIMER的实现，首先确定时间片，为了让系统更稳定，而且我们不需要实时功能，尽
可能让时间片设置长一点，比如我们让一个任务运行20个时钟滴答数，然后应根据系统
频率来确定每个系统滴答所占用的毫秒，这里使用5毫秒让系统定时器中断一次，那么就
需要写时钟寄存器，具体参阅芯片资料，计算下来，一个任务最大可能连续运行100毫秒
，注意：我们的操作系统不支持内核抢占，同时只支持两级中断优先级，就是只有时钟
中断的优先级高一点，其它的优先级都低一级，但是在中断处理一节中却屏掉了这个功能
因为一进入中断处理，就禁止中断，所以不管其它中断优先级有多高都没有用的，这样做
优点是简单了，但不好之处显而易见，特别在相关中断处理函数如果进入了死循环，那么
整个系统就死了，而且时间片也变得不准确了，反正都不用实时，也不需要实时钟支持嘛
至于中断优先级设置请参阅芯片资料

6.进程调度的实现，也就是do_timer函数（时钟中断处理函数），有一个全局变量指针，
指向的就是当前任务结构数组（或者链表），当时钟中断时，就进入此函数中，首先判断
任务结构体中的时间片是否用完，如未用完，就减一，然后退出中断，让CPU继续运行当
前的任结构，若用完了时间片，就重置时间片，并重新寻找任何结构数组中的下一个等待
运行的任务，若找到了，就切换至新的任务，至于如何切换，请见下一页描述，如果未找
到就切换到IDLE任务（类似于LINUX，呵呵，所有的处理就是模仿LINUX，由于本人水平太
差，所就不能自创一招），注意：为了简单，所以没有实现任务优先级，也未实现任务
休眠等，也就是说只要静态地决定了有十个任务，这十个任务就按先后顺序一个一个执行
而且每个任务都不允许结束，就是说在每个进程中的最后一句代码都必须用死循环，不然
的话系统就跑飞了），还有一点，进程不支持信号，没有休眠与唤醒操作，这个CPU就是
不停地在运行，呵呵，反正CPU又不是人，所以不需要人权的哈！！！这种调度是不是简
单得不能再简单了？？？？？！！！！

7.串口不使用中断，这就是最大可能的降低难度，串口使用论询的方式来实现读写（当
然是阻塞的方式了哦，而且只有写，不允许读，因为读的时候需要涉及到采用中断方式，
因为轮询方式有个不好的地方，那就是正在读的时候，这里有可能当前进程的时间片用
完了，系统切换到另一个进程，这里你在PC机的串口输入的数据就丢弃了，唉，又是为
了简单嘛）

8，最后一步就是MIAN函数的最后一部分，将本进程当作IDLE进程（相当于修改任务结构
数组中的数据），开启中断，将当前进程加入一段死循环，以免它退出去。

9.编译你的BOOTLOADER，KERNEL，并烧写至FLASH，反复调试

10.至此将你的at91rm9200（或者是其它相类似的芯片）的串口接上PC机，打开超级终端，
打开板子电源，说不定你的操作系统就打印出了"hello,world"了！！！一个最简单的操作
系统就出来了

下一页是具体的功能模块实现

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实现一个最简单的嵌入式操作系统(二）

如何实现BOOTLOADER

1.之所以要实现一个专用的BOOTLOADER，一是为了更好的移植和自身的升级，二是为了方便操作系统的调试，当然，你完全可以将这部分所要实现的与操作系统相关的功能集成到操作系统中去
2.确定一个简单的BOOTLOADER所要完成的功能：我们这里只需要完成两个主要功能，一是将操作系统加载到内存中去运行，二是将自己和操作系统内核固化到ROM存储区（这里的ROM可以是很多设备，比如嵌入式芯片中的FLASH，PC机上的软盘，U盘，硬盘等）

3.BOOTLOADER的编写：
第一步：要进行相关硬件的初使化，比如在at91rm9200这块嵌入式板子上（以后都使用这一款芯片，主要是我对这款芯片比较熟悉，嘿嘿），大概要做接下来的几方面的工作，其一：将CPU模式切换进系统模式，关闭系统中断，关闭看门狗，根据具体情况进行内存区域映射，初始化内存控制区，包括所使用的内存条的相关参数，刷新频率等，其二：设定系统运行频率，包括使用外部晶振，设置
CPU频率，设置总线频率，设置外部设备所采用的频率等。其三：设置系统中断相关，包括定时器中断，是否使用FIQ中断，外部中断等，还有就是中断优先级设置，这里只实现两个优先级，只有时钟中断高一级，其它都一样，而中断向量初始化时都将这些中断向量指向0x18处，并关闭这里的所有中断，如果板子还接有诸如FLASH设备的话，还需要设置诸如FLASH相关操制寄存器，其四：需要关闭CACHE，到此为止，芯片相关内容就完成初始化了

第二步：中断向量表，ARM的中断与PC机芯片的中断向量表有一点差异，嵌入式设备为了简单，当发生中断时，由CPU直接跳入由0x0开始的一部分区域（ARM芯片自身决定了它中断时就会跳入0x0开始的一片区域内，具体跳到哪个地址是由中断的模式决定的，一般用到的就是复位中断，FIQ，IRQ中断，SWI中断，指令异常中断，数据异常中断，预取指令异常中断），而当CPU进入相应的由0x0开始的向量表中时，这就需要用户自己编程接管中断处理程序了，这就是需要用户自己编写中断向量表，中断向量表里存放的就是一些跳转指令，比如当CPU发生一个IRQ中断时，就会自动跳入到0x18处，这里就是用户自己编写的一个跳转指令，假如用户在此编写了一条跳转到0x20010000处的指令，那么这个地址就是一个总的IRQ中断处理入口，一个CPU可能有多个IRQ中断，在这个总的入口处如何区分不同的中断呢？就由用户编程来决定了，具体实现请参见以后相关部分，中断向量表的一般用一个vector.S文件，当然，如何命名那是你自己的喜爱，但有一点需要声明，那就是在链接时一定要将它定位在0x0处

第三步：设置堆栈，一般使用三个栈，一个是IRQ栈，一个是系统模式下的栈（系统模式下和用户模式共享寄存器和内存空间，这主要是为了简单），设置栈的目的主要是为了进行函数调用和局部变量的存放，不可能全用汇编，也不可能不用局部变量

第四步：将自己以后的代码段和数据段全部拷贝至内存，并将BSS段清零

第五步：进行串口的初始化（主要是为了与用户交互，进行与PC机的文件传输），FLASH的初始化这里在FLASH中存放BOOT和内核），FLASH驱动的编写（这里的驱动有别于平常所说的驱动，由于FLASH不像SDRAM，只要设定了相关控制器之后就可以直接读写指定地址的数据，对FLASH的写操作是一块一块数据进行，而不是一个字节一个字节地写，具体请查阅相关资料）
第六步：等待一定的秒数，来接收用户进行输入，如果在指定的秒数内用户未输入任何字符，那么
BOOT就开始在FLASH中的指定位置（可以由自己指定，这么做主要是为了简单）读取内核的所有数据到内存中（具体是内存中的什么位置由自己指定，也可以采用LINUX之类的做法，就是在内存的起始位置加上一个0x8000处），将跳转到内核的第一条代码处）；如果用户在指定的秒数内键入了字符（这主要是为了方便开发，如果开发定型之后完全可以不要这段代码），那么就在串口与用户进行交互，接受用户在串口输入的命令，比如用户要求下载文件在FLASH中指定的位置等，具体内容可参考U-BOOT之类的开源项目到这里为止，BOOT部分已完成，这个BOOT非常简单，仅仅只是将PC机上传下来的文件固化到FLASH中，然后再将FLASH中的操作系统内核部分加载进内存中，并将CPU的控制权交给操作系统，下一页开始讲解如何写一个最简单的操作系统，呵，到现在才开始切入正题呢！！！！

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ARM开发经验（三）

注：这个连载的版权属于自控所158所有。转载的时候请注明。转载需要通过作者本人同意。 

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*                                               Programming Arm
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*                             (c) Copyright 1992-2008, 西安交通大学
*                                          All Rights Reserved
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*                                              自控研究所158
*
* 文件      : 连载三
* 版本   : V1.00
* 作者      : 潘自强
*
* 对象      : ARM7
* 模式      : ARM
* 工具      : ADS1.20
*********************************************************************************************************
*/

4.1.2 Image 的Load view 和 execution view
在下载的时候Image regions被放置在memory map当中，而在执行Image前，或许你需要将一些regions放置在它们执行时的地址上，并建立起ZI regions。例如，你初始化的RW数据需要从它在下载时的在ROM中的地址处移动到执行时RAM的地址处。
1 附图: tu2.jpg (640566 字节)

NOTE Load view 和execution view的详细定义见ADS_LinkerGuide 3-4
以上的描述包括二个内容，一是要指定各个section在load view和execution view时的地址即memory map，二是要在执行前根据这些地址进行section的初始化。
4.1.3 制定Memory map
制定memory map的方法基本上有二种，一是在link时使用命令行选项，并在程序执行前利用linker pre-define symbol使用汇编语言制定section的段初始化，二是使用scatter file。以上二种方法依应用程序的复杂度而定，一针对简单的情况，二针对复杂的情况。

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ARM开发经验（二）

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* 文件      : 连载二
* 版本   : V1.00
* 作者      : 潘自强
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* 对象      : ARM7
* 模式      : ARM
* 工具      : ADS1.20
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4 描述文件
要编写描述文件，必须知道ARM Image文件的组成及ARM Image文件执行的机理。
4.1 ARM Image的结构
一个ARM Image structure由linker在以下几个方面定义：
 组成它的regions 和 output sections
 当Image 下载的时候这些regions 和 sections 在内存中的位置
 当Image 执行时这些regions和sections在内存中的位置
4.1.1 ARM Image的组成
一个ARM Image被保存在可执行文件当中，它的层次结构可以包括Image，regions，output sections和input sections。
 一个Image由一个或多个regions组成，每个region包括一个或多个output sections
 每个output section由一个或多个input sections组成
 Input sections是一个object file中的code和data信息。
Image的结构如
下图：
1 附图: tu1.JPG (24684 字节)
NOTE Input section，output section和region的定义见ADS_LinkerGuide 3-3页。
同时Input section 有几种属性，分别为readonly，read-write，zero-initialized。分别称为RO，RW和ZI。属性来源于AREA后的attr属性。
比如CODE是RO，DATA是RW，NOINT默认为ZI，即用0值初始化，但是可以选择不进行0值初始化。ZI属性仅仅来源于SPACE, DCB, DCD, DCDU, DCQ, DCQU, DCW, 或者DCWU。由以上定义，ZI属性的包含于RW属性，它是有初始值的RW数据。又例如在C语言中，代码为RO，静态变量和全局变量是RW，ZI的。

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arm开发经验（连载）

 前一段时间做了arm的一些开发，主要是编写了arm的启动软件和移植了uCOS-II到arm7。我做事情喜欢深入简出，及从最简单，最原理的方面先做一个框架，然后在这个框架里面进行补充。我还是一个很喜欢和别人讨论的人，希望有人可以给我提出意见和建议。我的这个心得很初级，都是一些基本的东西。现在拿出来和大家分享，希望在我毕业之前能给大家留一些纪念。^_^
    由于这些东西发paper实在是没有价值，但是我感觉可以作为arm开发的入门。由于我的水平和经验有限，错误也是难免的。但是如果不拿出来和大家分享，就算有错误我也发现不了，是么？呵呵。我现试试发连载的第一篇，看看有多少价值，如果大家觉得有价值，我会继续连载的。
连载一：
前言
这个文档是我学习ARM编程的总结和心得。阅读这个文档的人应当首先阅读ADS1.2的帮助文档及相关内容。这个文档不会对编译器及连接器做出详细的说明，在需要的时候会指出具体内容在相关资料的章节。同时阅读这个文档的人需要了解ARM指令集和一些ARM汇编的基本内容以及C和C++的相关编程内容。同时还需要了解ARM的流水线结构及一些基本的编程知识。同时为了方便查阅英文文档，所有的相关术语都使用英文原文

第一章 STARTUP
1 ARM的启动
一般的嵌入式系统在主程序执行之前都需要执行一些初始化的过程以创造嵌入式程序运行的环境，尤其是一些高级的嵌入式系统，由于核心芯片使用内存映射、内存保护等机制以及编程使用高级语言C,C++甚至JAVA语言，都需要先创建一个适合程序运行的硬件环境，然后初始化或者配置或者剪裁run-time library, 这些工作都必须在主程序运行前完成，所以一个startup程序或者程序组对于一个嵌入式系统来说是非常重要的。要编写startup程序，需要对编译器、链接器和汇编器的细节有一定的了解，同时对ARM芯片硬件本身的地址分配以及memory mapping机制也需要有一些了解。
2 ARM 程序的工作过程
首先由各种source file经过编译产生object文件，然后object文件经过链接生成Image文件，然后通过ICE的方法，根据描述文件的指定下载到目标板上的固态存储器指定地址当中，比如flash，EEPROM, ROM等等。在程序执行之前，根据某些描述文件，将需要读写数据的部分读出放入动态存储器比如RAM当中，然后程序从ROM开始执行。或者有时为了提高程序的运行速度，也可以将所有的程序(有一些root的部分除外，以后会提及)通过一个描述文件放入指定的RAM当中，然后程序从RAM开始执行，但是这样会耗费大量的动态存储器，所以大部分程序会取折中的方法，将需要快速运行的部分和要读写的部分放入RAM中(一般读固态存储器的过程和动态存储器的过程是一样的，但是写就不同了，所以读写的部分一定要放到RAM中)，而只读的部分和对速度要求不是那么高的部分放入固态存储器。同时ARM结构的异常向量表规定放在地址为0x00000000开始的地址空间上，而一般的CPU为了提高异常相应速度，会将这个向量段remap到其他的RAM当中，所以在描述文件当中必须精确指定异常向量跳转程序的地址到remap的地方。在application程序执行前，还需要由一些文件描述application程序执行的环境。比如系统工作时钟，总线频率。现在一般嵌入式编程语言为C,C++等。如果在使用它们的时候使用的runtime-library，那么在程序执行前还需要为这些库函数初始化heap。然后ARM可能工作在不同的模式，还需要为不同的工作模式设置stack。这样，描述链接地址的文件，以及在application运行前所有的初始化程序就是startup程序组
3 STARTUP分类
这样，将startup程序所完成的功能分类。一类是链接地址描述，一类是各种初始化的程序。根据不同的应用，描述文件和初始化程序的内容以及结构和复杂程度都会不同。但是基本上，它们都必须实现以下功能。
3.1 描述文件实现功能
描述文件可以是链接命令行上简单的几个字符，也可以是一个非常复杂的文件，但是它必须完成如下功能：
; 指定程序下载的地址
; 指定程序执行的地址
3.2 初始化程序实现的功能
初始化程序根据不同的应用，其结构和复杂度也不同，但是它必须完成如下基本功能：
; 异常向量初始化
; 内存环境初始化
; 其他硬件环境初始化

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防不胜防———电子类找工作的感受

今天上午去了nvidia面试，这是我这个月第五次面试了，一次次的被BS，回顾一下公司要求，感觉硬件类好像很 难找到如意的，除非你是特别的牛中之牛！第一次O2，题目我放再本版了，大家可以看一下，他们要求基本要有很成熟的项目研发能力，我做的比较少，当然挂了，然后没办法赶快看书啊，linux，嵌入式的，第二次是中兴，很快就被扫地出门，因为我没碰单片机很久了，确实不知道这些可以看书很快就知道的问题，还有一种可能就是我走错了房间，进了死亡之组，我面的505房间BBS上好像有一堆难兄难弟，第三次是VIA。我觉得我面的很还不错，除了一个X.25有点忘记了，其他回答还好，FPGA，ARM，LINUX都很对路。但是面完他居然说他们岗位只要一个，上午已经招到人了，当时我真想拿着简历很愤怒的走人，没办法，为了学校的名誉,忍气吞声的握手，说希望还有合作机会，VIA之后，很快又去了nvidia，笔试，然后通知面试，准备英语，一大早去了，和外面等待的人交流下，原来我都是老面霸了，很多还是第二面，所以比较紧张的说，进去，英语自我介绍，又回答了一个问题，进入技术面试，首先问我对ESD怎么看，我随便说了下，感觉不太满意，又问我传输线理论，以及PWM，可惜我都说只知道大概，然后又是电源分层，怎么走线，传输线上拉下拉DIODE什么用？怎么确定上拉电平，对USB了解，我实在汗颜的很，虚心学习着她的答案，然后要我画个NMOS或者PMOS给她讲工作原理，还好我警醒，看了半天数电，然后又问我知道DDR不，画个结构框图，与SDRAM什么区别，建立时间，保持时间，还有DC/DC管脚怎么使用，linear and switching power supply原理，怎么选择，最后给我面子，出了最简单一个题目，画了一下PC构架图，最后问我有什么问题，我只好问她工作涉及什么的，怎么问那么多很faint问题，感觉与我理解不一样，她问我觉得她应该问什么问题，我无语，听她解释了下后礼貌谢谢走人。感觉硬件真的好难，一个公司有一个公司风格，对硬件要求太高了，模拟，数字，单片机，FPGA，信号系统，数字信号处理，图像视频，嵌入式系统，PCB设计，高速信号理论，通信网络知识，真是你怎么准备都不为够啊，真是防不胜防……今年好像硬件很难哦，到现在好像我们班还没有找到的，软件的，公司要求就低了，C/C++打遍天下，有点基础数据结构就好，非常不公平啊，我在锐捷网络友情客串了把软件开发觉得很成功，就那点没忘记完的C基础，居然进入二面，可惜实在没有软件项目经历可以吹嘘的，就挂在那里，成为我走得最远的面试了，无所是从啊

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