BSP基本概念

1 BSP概述

BSP即Board Support Package，板级支持包。它来源于嵌入式操作系统与硬件无关的设计思想，操作系统被设计为运行在虚拟的硬件平台上。对于具体的硬件平台，与硬件相关的代码都被封装在BSP中，由BSP向上提供虚拟的硬件平台，BSP与操作系统通过定义好的接口进行交互。BSP是所有与硬件相关的代码体的集合。

一个成熟的商用操作系统，其被广泛应用的必要条件之一就是能够支持众多的硬件平台，并实现应用程序的硬件无关性。一般来说，这种无关性都是由操作系统实现的。 但对于嵌入式系统来说，它没有像PC机那样具有广泛使用的各种工业标准、统一的硬件结构。各种嵌入式系统各不同的应用需求就决定了它一般都选用各自定制的硬件环境，每种嵌入式系统从核心的处理器到外部芯片在硬件结构上都有很大的不同。这种诸多变化的硬件环境就决定了无法完全由操作系统来实现上层软件与底层硬件之间的无关性。

因此各种商用实时操作系统，都采用了分层设计的方法，它将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来，称之为Board Support Package，简称为BSP。顾名思义，BSP是针对某个特定的单板而设计的。如果没有单板支持软件包，则操作系统就不能在单板上运行。并且它对于用户（指开发者）也是开放的，用户可以根据不同的硬件需求对其作改动或二次开发。 BSP在嵌入式系统中的角色，很相似于在PC系统中的BIOS和驱动程序的地位。 BSP的具体结构和组成根据不同的嵌入式操作系统而不同。BSP的开发要求设计人员具备软硬件方面的综合知识。

BSP软件与其他软件的最大区别在于BSP软件有一整套模板和格式，开发人员必须严格遵守，不允许任意发挥。在BSP软件中，绝大部分文件的文件名和所要完成的功能都是固定的。所以，BSP软件的开发一般来说都是在一个基本成型的BSP软件上进行修改，以适应不同单板的需求。 针对某类CPU的硬件单板，嵌入式操作系统(如vxWorks)通常提供有其DEMO板的BSP, 这些程序位于指定的目录之下。也就是我们所说的最小系统BSP。一般来说，我们在硬件系统设计好之后，都会先找到一个与自己系统相近的DEMO板BSP（最起码是使用相同的CPU）。并以此为基础,开发自己单板的BSP。

?定义

BSP就是为软件操作系统正常运行提供最基本、最原始的硬件操作的软件模块，它和操作系统息息相关，但又不属于操作系统的一部分。BSP可以分为三大部分：

1：系统上电时的硬件初始化。

2：为操作系统访问硬件驱动程序提供支持。

3：集成的硬件相关和硬件无关的操作系统所需的软件模块。

?BSP的表现形式

BSP主要以两种形式来表现： 1：源代码（C代码、汇编代码）、系统编译连接依靠文件。 2：二进制的目标代码和目标代码库。

?BSP在软件系统中的位置

BSP在软件系统中的位置可以用下图来表示，BSP为操作系统和硬件设备的互操作建了一个桥梁，操作系统通过BSP来完成对指定硬件的配置和管理。

I/O系统 和硬件无关的系统软件模块 TCP/IP 操作系统库 文件系统 MUX 硬件相关的系统软件模块 操作系统内核 Flash/SCSI Driver BSP Lan Driver 硬件 Flash/SCSI Controller SCC Timer Lan 控制器 BSP向上层提供的接口有

? 与操作系统内核的接口（如报告DRAM大小、修改中断屏蔽级别等） ? 与操作系统的I/O系统的接口 ? 与应用程序的接口

?CPU最小系统BSP的定义

广义上讲，单板中所有需要CPU控制的硬件的程序，都属于单板BSP，但是，为了调试方便和软件的模块化，我们通常就将与此单板最小系统相关的程序简称为BSP，而将其他程序称为驱动程序。

对于嵌入式系统来说，所谓最小系统就是一个包含：CPU, Bootrom, RAM,系统时钟，网口，串口的计算机运行环境。

这样，最小系统BSP就包含了CPU系统的初始化程序以及网口，串口，系统时钟等设备

的驱动程序。

?BSP的主要功能

BSP的主要功能在于配置系统硬件使其工作于正常的状态，完成硬件与软件之间的数

据交互，为OS及上层应用程序提供一个与硬件无关的软件平台。因此从执行角度来说，其可以分为两大部分：

1）目标板启动时的硬件初始化及多任务环境的初始化

2）目标板上控制各个硬件设备正常运行的设备驱动程序，由它来完成硬件与软件之间的信息交互

通常我们认为BSP是为OS服务的， 但实际上， BSP软件包中的部分程序对OS也并不是必须的，从这个角度，又可以将BSP划分为两部分： 1）最小系统BSP，即我们通常所称的BSP 2) 设备驱动程序

?开发BSP需要的条件

? 目标硬件：硬件调测完毕，经过必要的软件测试

? 必要的硬件设计文档：如地址空间的分布，CPU和其他芯片的工作模式等。 ? 操作系统

? 交叉开发工具：编译器、汇编器、链接器等 ? 下载机制：bootrom或仿真器等

2 BSP实际开发的主要过程

1. 2. 3. 4. 5.

掌握开发中使用的操作系统，和在这种操作系统下开发BSP的要求。 研读所选CPU的资料。 研读硬件设计文挡。

研读电路板中器件的资料。

找一个BSP模板，熟悉它并在此基础上开发自己的BSP。从头研制BSP工作量极大，也没有必要。

6. 利用仿真器进行调试，开发最小BSP系统。

7. 在最小BSP的基础上，利用Tornado集成开发环境，进一步调试外围设备，配置、完善

系统。

8. 调试单板上的设备驱动程序。

3 BSP的调试方法（最小系统的调试和设备驱动程序的调试）

3.1 仿真器调试方式：

在串口和网口初始化及发挥功能以前，用仿真器调试是一种相对来讲很方便的手段。

BSP软件的调试通常需要利用仿真器来进行。目前市场上的大多数仿真器都能支持JTAG接口。典型的仿真器调试环境如下图所示：

RS232调试计算机RS232仿真器JTAG目标板

调试计算机通过RS232接口与仿真器相连，完成对仿真器的初始化配置工作，通常这项工作只在第一次使用仿真器时进行，配置结果一般会被仿真器存储起来。仿真器通过以太网口与调试计算机相连，通过JTAG接口与目标板相连，利用这条通路，仿真器就可将计算机上的程序下载到目标板上进行调试。

目标板上的串口和以太网口为被调试的对象，和调试计算机相连，主要是可以通过调试计算机检验目标板上的接口是否工作正常。

在仿真器环境下，既可以调试vxWorks映象，也可以调试bootrom映象。当调试BootRom映象时，需要修改CONFIG.H和MAKEFILE文件将这段代码定位到RAM中，然后通过仿真器下载到目标板上的RAM中进行调试。

目前常用的有两类仿真器，一是JTAG仿真器，二是全功能在线仿真器。前者是利用处理器中的调试模块的功能，通过其JTAG边界扫描口来与仿真器连接。这种方式的仿真器比较便宜，连接比较方便。但由于仅通过十几条线来调试，因而功能有局限。对于全功能在线仿真器来说，由于其仿真头完全取代目标板上的CPU，因而功能非常强大。这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器，通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而其价格比较昂贵。

ENET3.2 “黑”调

在没有仿真器的情况下一般使用“黑”调，具体的方法是加“指示灯”、用示波器测量硬件信号等，目的是打通串口，达到宿主机与目标机的通信。这种调试方法无法跟踪软件的运行这种调试方法要求所使用的BSP模板与自己的单板基本一致。

“黑”调的工程步骤：

烧 ROM Build 最简 IMAGE 最小系统OK? NO ye s Modify BSP START “黑”调 Build BSPlib download Bsp 其他部分 ok NO Build ram 类型 image YES 增加 bsp 其他部分 Build image 验证其他部分 BSP完成

3.3 使用集成开发环境

在进行VxWorks下BSP开发时，如果最小系统的BSP已经能够正常运行，则可以使用VxWorks的集成开发环境Tornado。 Tornado II工具提供一个高度可视化和自动化的开发环境，加快了基于VxWorks的应用开发。这样，不论对于初次使用还是有经验的开发者，使用Tornado II开发其应用是快速而方便的。

4 中断处理

4.1 采用中断处理方式的原因：

保证处理的实时性、减少CPU的消耗。

4.2 中断的处理流程

中断处理程序首先切换到中断堆栈，保存程序计数器和寄存器等中断现场状态，然后对中断进行处理，中断处理过程中必须要及时清除中断源，最后要恢复中断前的程序计数器和寄存器等现场状态，由中断处理程序返回。

Interrupt Service Code

实时系统中的中断处理非常重要，系统通常通过中断获取外部事件。为了尽可能块的响应中断，VxWorks中的ISRs运行在特定的上下文（非任务上下文），中断处理无需任务的上下文切换。

我们可以使用除了VxWorks系统使用的之外的系统硬件中断，VxWorks提供了例程intConnect( )用于将C程序与任何中断相连接。VxWorks的ISRs运行在特定的上下文（x86中断使用当前被中断掉的任务的堆栈，PPC有单独的全局中断堆栈）因而中断处理没有任务的上下文切换。

4.3 中断的堆栈

大部分系统规定（如PowerPC）：所有的中断使用同一个专用堆栈，这个堆栈在系统启动时根据特定的配置参数由系统来分配和初始化。要求堆栈足够大来处理最坏的中断嵌套。

然而有一些系统不允许有单独的中断堆栈（如x86），在这种情况下，中断使用当前被中断掉的任务的堆栈。如果使用这种结构，必须给每个任务开足够大的任务堆栈来处理最坏的中断嵌套和调用嵌套。

可以在开发中使用 checkStack()来查看在栈空间中任务和中断的堆栈是如何分布的。

4.4 ISR的一些限制

1、 ISR要尽量的短，能在任务中完成的工作就不要放在ISR中。 2、 ISR不能调用将会导致阻塞的子程序。

3、 ISR不能take 信号量，但是ISR可以give信号量。 4、 由于子程序malloc（）、free（）使用了信号量，ISR不能调用它们。 5、 ISR不能通过VxWorks的驱动执行I/O。

6、 ISR不能调用使用了浮点协处理器的子程序。

在ISR中不能调用的函数列表参见：《VxWorks Programmer Guide》中2.5.3 Special Limitations of ISRs。

4.5 中断服务程序与任务的通信

由于中断事件通常涉及到任务级代码，因此必须提供中断服务程序和一般任务的通信机制。VxWorks提供的中断服务程序和一般任务的通讯机制有：

?共享存储区和环形缓冲

?信号量： 中断服务程序能够释放信号量（不包括互斥信号量和VxMP共享信号量），任务

能够等待该信号量。

?消息队列，中断服务程序能够向消息队列发送消息，任务能够从消息队列里接收消息。 ?管道：中断服务程序可以向管道写数据，任务可以从管道读取数据。

?信号灯：中断服务程序能够通过发信号通知任务，触发相应的信号处理程序的异步调度。

5 常用总线协议：

?HDLC、

High-level data link control (HDLC) is one of the most common protocols in the data link layer, layer 2 of the OSI model.

?UART、

universal asynchronous receiver transmitter (UART) protocol is commonly used to

send low-speed data between devices. ?Ethernet/IEEE 802.3 、

?ATM、 ?PCI、 ?I2C、

?SPI(motorola : Serial Peripheral Interface)

exchange data between cpu and peripheral devices (such as EEPROMs, real-time clocks, A/D)converters, and ISDN devices.

5.1 PCI总线简介

PCI：周边器件互联（Peripheral Component Interconnect）。 目前最新版本2.2，但很多器件还只支持2.1。 PCI与器件的基本关系。

? Host/PCI 北桥：连接主处理器总线到PCI总线

? PCI/ISA 南桥：连接PCI总线到ISA（或EISA）总线，南桥通常含IDE控制器、中断

控制器、USB主控制器、DMA控制器。

? PCI/PCI ： 连接PCI总线到PCI总线

设备和功能：

支持256个PCI总线。

每条PCI总线上最多可以有32个设备（最多5－6个比较合适）。 每个设备可以有1－8个功能。

性能：

33M，32bit 传输速率132MB 33M，64bit 传输速率264MB 66M，32bit 传输速率264MB 66M，64bit 传输速率528MB

6 单板的硬件组成

BSP与单板密切相关，要开发BSP就要了解单板的硬件组成，单板一般由CPU最小系统和一些外围硬件设备构成。

CPU最小系统：

CPU、内存、内存控制器、调试串口、调试网口、系统时钟、桥片、外围芯片（包括）、实时时钟、定时器、FPGA、部分嵌入式系统也包括软硬盘控制器、显卡、键盘。 不同单板使用不同的专用设备芯片：

DMA控制器、E1传输芯片、光接口芯片、时隙交换、FLASH、host/pci桥片 pci/pci桥片、以太网口芯片（如intel的82559、realtek的8139）、以太网口交换芯片（BCM5616）、CSM5000、CSM5500、看门狗、专用FPGA逻辑等等。 典型的单板组成示意图：

?IS95/1X中的SVICM单板组成示意图

?3G系统中的CPU最小系统结构示意

/RCS0、LOCAL ADDRESSEPLD监控LEDPMC P14连接器/CS_BOOTFLASHBOOT LASH512KB/CS_UARTSDRAMUART控制器OSCRS232CPUHOST/PCIPCI接口μ÷ ê??ó ?ú33MHz-32bit PCI总线COREμ? ?′OSCPCI?ó?ú ----ETHERNET接口转换芯片PMC P11/P12á??ó?÷

RJ45?3G系统中的CCM单板结构示意

7 处理器：

我们目前经常使用的处理器：POWERPC、ARM、MIPS、x86等系列处理器

?POWERPC： Mpc860、Mpc8260、Mpc850、Mpc8250、Mpc755、Mpc8245、Mpc7450、

IBM750

?ARM ：IXP1200、IXC1100 ?X86： （PIII处理器）

各处理器的特点（见硬件相关文档）：嵌入式系统使用的CPU一般具有低功耗、体积小、集成度高等特点，而且一般内部集成了内存控制器、串口控制器、以太网口控制器等芯片。 例如：MPC8260 POWERQUICCⅡ是一个功能强大的嵌入式通讯处理器，它集成了一个64-bit高性能的PowerPC系列的RISC微处理器和一个32-bit的 RISC通讯处理器。同MPC860一样，MPC8260由三个主要功能块组成，但它具有更强大的功能：

? 一个64-bit 的内核，是PowerPC MPC603e微处理器的变种。它的处理速度可达

100~200MHz，并支持L2 cache。 ? 一个系统接口单元（SIU）。它具有一个更加灵活的存储器控制器，可以与几乎所有类

型的存储器接口。并支持JTAG控制器 IEEE 1149.1 测试端口（TAP）。

? 一个通信处理模块。它不仅包含了MPC860上的所用通信外围控制器，还增加了三个

高性能通信通道（FCC）支持新的高速协议，两个多通道控制器（MCC）可支持128

个串行全双工通道。

8 BSP提供的vxWorks下的设备驱动

BSP的另一项主要任务是为操作系统访问硬件设备驱动程序提供支持。所谓设备是指独立于处理器内核之外的，能够接收CPU的输入数据和/或向CPU提供数据输出的硬件单元。

8.1 网口、串口的设备驱动

对于一些通用的设备，如网口、串口，由于包含在BSP最小系统内，vxWorks 都会提供基本的驱动程序。常用的串口设备驱动程序参见目录\\tornado\\target\\src\\drv\\sio，网口设备驱动程序参见目录\\tornado\\target\\src\\drv\\end。这些驱动程序仅与设备本身的硬件特性密切相关，如配置一些必须的设备控制寄存器，中断寄存器，初始化设备驱动结构等。具体的这些寄存器，驱动结构的值是什么，这些与用户的实际应用密切相关的信息放在各单板BSP目录下的sysXXX.c文件中，如串口配置源文件sysSerial.c（定义了用作串口的UART设备的基地址，寄存器数据位数，使用的缺省波特率，晶振频率等），网口配置源文件sysFei82557End.c(定义了82559网口芯片的PCI基地址，EEPROM中的MAC地址等)。大多数应用只需要修改sysXXX.c中的配置参数就可以了。

VxWorks已经为网口和串口设备驱动提供了标准的库函数，用于将与硬件相关的设备驱动加载到 硬件无关的I/O层，使得应用层不必关心具体的硬件驱动实现，直接调用统一的Socket接口函数或I/O接口函数就可以正常的收发数据，执行查询、控制操作。

由vxWorks或设备供应商提供的网口，串口驱动已经包含了较为完备的设备驱动接口，完成设备的初始化、数据收发，中断服务程序连接与中断使能。实际应用时，做相应的修改就可以了。详细步骤可以参见相关的最小系统详细设计文档。

8.2 一般硬件的设备驱动

一般硬件是指除BSP最小系统之外的各应用使用的硬件设备。这些设备的供应商可能不会提供专用的设备驱动程序，或是提供的设备驱动程序无法满足实际应用的需要。因此，必须由BSP开发人员编写相应的设备驱动程序，为操作系统访问硬件设备驱动程序提供支持。

BSP提供的设备驱动接口大致有以下几类： 8.2.1 设备初始化接口

所有的设备驱动程序都应该提供设备初始化接口。该接口实现主要包含以下内容： 1、保存应用程序传入的正常回调函数指针。该回调函数在设备正常的收发中断中调用，用于向操作系统的驱动任务传递收发事件消息，触发驱动任务开始收发数据，使得系统尽快退出中断，真正的数据收发都在驱动任务中完成，接受OSS的调度，提高CPU的利用率。对于没有收发事件的设备，如Plx9030、Bcm5616 ，就无需这个函数指针。

2、保存应用程序传入的异常回调函数指针。设备出现异常状况通常也会引起中断，在异常中断中调用异常回调函数，将设备出错信息传给OSS的实时控制进程，由该进程对设备的异常情况进行处理，有必要的话，可以报告给后台告警。通常一个实时控制进程负责监

控单板上所有设备的异常状况，因此应对给设备的异常状况统一编码，实时控制进程根据不同的告警码来判断何种设备出现了异常。

3、进行必要的硬件初始化。

4、使用系统函数intConnect()将设备中断服务程序连接到中断向量表中。 1、 使用系统函数intEnable()使能设备连接的CPU中断。

对于具有数据收发功能的设备，如UART、HDLC，应提供数据收、发接口。 8.2.2 设备发送数据接口

设备发送数据接口用于将上层应用的数据输出到设备，再由设备输出。该接口的入参应包括待输出用户数据缓存的指针，数据长度。 8.2.3

设备接收数据接口

设备接收数据接口用于将设备接收到的数据传递给上层应用。该接口的入参应包括用于接收数据的用户缓存的指针，用户缓存的长度。输出参数包括实际接受到的数据长度。 8.2.4

设备控制接口

上层应用调用设备控制接口完成对设备的设置和查询。如可以调用UART的控制接口查询或重新设置波特率，查询发送、接收缓存是否为空等。

该接口的入参应包括查询码，用于区分不同的操作。对于查询操作，输出参数为查询的结果，对于控制操作，入参还应包括相应的设置参数。 8.2.5

中断服务程序

中断服务程序属于BSP的内部接口，在设备初始化时被连接到中断向量表中。当CPU检查该中断时，就会根据中断向量表中填写的中断服务程序指针调用该函数，完成相应的操作。

在实时应用中，中断服务程序应当尽可能的简短。其主要任务就是检查产生中断的原因，根据不同的中断原因调用相应的回调函数，通知相应的任务去处理中断事件。

8.3 BSP同其他软件的关系

BSP同硬件和上层软件系统的关系，以及BSP内部模块之间的关系图示如下：

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