第3章 VxWorks操作系統啟動過程詳解

本章將著重分析VxWorks的啟動過程，首先，簡單介紹VxWorks操作系統支持的幾種啟動方式，每種啟動方式下映像的組成和基本啟動流程；其次，詳細介紹下載啟動方式下bootrom的組成和執行流程；再次，詳細介紹VxWorks本身的啟動過程；最后，詳細介紹BSP下的文件組成。

3.1 VxWorks操作系統啟動

3.1.1 VxWorks基本啟動方式

按VxWorks內核的下載形式，VxWorks啟動總體上分為兩種方式：下載型和ROM型。

● 下載型啟動方式：bootrom+VxWorks。此時bootrom被燒入ROM中，而VxWorks內核映像通過串口或者網口下載到系統RAM中。

● ROM型啟動方式：VxWorks直接從ROM中運行，不借助于bootrom引導程序。此時VxWorks內核映像被燒入ROM中，無bootrom程序。

對于不同的啟動方式，VxWorks操作系統內核映像的組成也略有不同。

bootrom引導程序一般稱為VxWorks boot Image。該程序由如下文件創建而成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、bootConfig.c、設備驅動程序。

VxWorks內核映像一般被稱為VxWorks Application Image。VxWorks內核映像是系統啟動后實際運行的程序（操作系統本身）。對于下載形式的VxWorks內核映像，由于需要對硬件環境進行重新初始化（即不依賴于romInit函數所做的初始化工作），所以最先需要運行sysInit函數進行重新初始化，這些初始化工作與romInit函數基本相同，但是不再需要對內存控制器進行重新初始化，這是sysInit區別于romInit函數之處。sysInit最后跳轉到usrInit函數。而對于ROM方式直接運行的VxWorks內核映像，由于romInit.s函數此時是作為內核映像的一部分，所以就省去了對sysInit函數的調用。下載型和ROM型在VxWorks內核文件的構成上有一些差別。

● 下載形式的VxWorks內核映像組成：sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、設備驅動程序文件。

● ROM形式的VxWorks內核映像組成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、設備驅動程序文件。

                    MACH_DEP =|sysLib.o| sysLib.o $(MACH_EXTRA) $(ADDED_MODULES)

3.1.2 VxWorks操作系統內存布局

在VxWorks操作系統過程中可能使用到的BootRom和VxWorks內核映像本身都可以存在兩種方式：壓縮的和非壓縮的。

1.非壓縮形式

如果沒有進行壓縮，則只有一次重定位，即從ROM到RAM只存在一次代碼復制過程，所有ROM中存儲的代碼都被一次性復制到RAM中。

① 對于BootRom而言，所有的代碼被一次性復制到RAM_HIGH_ADRS指定地址處，如圖3-1所示。

圖3-1 非壓縮版BootRom引導程序ROM及載入RAM后分布圖

② 對于VxWorks_rom而言，所有的代碼被一次性復制到RAM_LOW_ADRS指定地址處，如圖3-2所示。

圖3-2 非壓縮版VxWorks_rom內核映像類型ROM及載入RAM后布局圖

2.壓縮形式

如果有進行壓縮，則代碼復制過程將分為兩次，一次是非壓縮代碼，另一次是壓縮代碼，且二者復制到內存不同的位置處。

① 對于BootRom而言，非壓縮代碼（romInit.s、bootInit.c）被直接復制到RAM_LOW_ADRS處；壓縮代碼復制到RAM_HIGH_ADRS處，并在復制過程中完成解壓縮，如圖3-3所示。

圖3-3 壓縮版BootRom引導程序ROM及載入RAM后分布圖

② 對于VxWorks_rom而言，非壓縮代碼（romInit.s、bootInit.c）被直接復制到RAM_HIGH_ADRS處；壓縮代碼復制到RAM_LOW_ADRS處，并在復制過程中完成解壓縮，如圖3-4所示。

圖3-4 壓縮版VxWorks_rom內核映像類型ROM及載入RAM后分布圖

事實上，對于壓縮版本，在進行編譯時，進行了兩次代碼鏈接：一次是針對壓縮代碼的鏈接，另一次是將非壓縮代碼和壓縮代碼整合在一起時的鏈接。注意，在進行非壓縮代碼和壓縮代碼的整合時，壓縮代碼部分是作為數據進入整個映像的，所以不會對其進行重新鏈接。對壓縮代碼的鏈接，實際上是在代碼被壓縮之前完成的，完成代碼的鏈接后，生成特定格式的目標文件（如ELF或者COFF），為了在解壓縮后可以直接執行，首先必須將其轉成二進制可執行文件，通過objcopy函數完成此項功能，此后對生成的二進制可執行文件調用deflate函數進行壓縮，由于需要將壓縮后的代碼最后整合到整個映像中，故壓縮后的文件還需要通過binToAsm工具進行轉換，轉成一個匯編源文件，該文件將壓縮后的二進制代碼作為數據部分進行保存，從而避免在與非壓縮代碼最后進行二次鏈接時被修改。

兩步鏈接過程中各自指定了不同的鏈接地址，對于壓縮代碼而言，其分為兩種情況，對于BootRom，壓縮代碼被鏈接到了RAM_HIGH_ADRS地址處，而對于VxWorks_rom，則被鏈接到了RAM_LOW_ADRS地址處，在與非壓縮代碼進行整合鏈接時指定的鏈接地址（即_romInit函數地址）與壓縮代碼鏈接時指定的地址相對應：如果壓縮代碼為RAM_HIGH_ADRS，則最后整合時就為RAM_LOW_ADRS；如果壓縮代碼為RAM_LOW _ADRS，則整合時就為RAM_HIGH_ADRS。

3.1.3 下載型啟動方式概述

下載形式的VxWorks啟動方式需要bootrom引導程序，該程序將被燒錄到開發板的ROM或者Flash中，在上電時，系統將自動跳轉到ROM或者Flash起始地址處運行該bootrom引導程序，該引導程序進行必要的系統初始化，從而為下載VxWorks內核映像做準備，如通過網口下載時，則需要先調用網口驅動程序進行網口初始化。

由于bootrom的主要工作是下載真正的VxWorks內核映像到系統RAM中，所以其進行的初始化工作也是為這一目的，在文件組織上，雖然從上文中可以看到其與VxWorks內核映像的文件組成非常相似，但其使用bootConfig.c文件，而VxWorks內核映像則使用usrConfig.c文件。這兩個文件中雖然定義有相同的函數名（如usrInit、usrRoot），但在實現上存在很大的差異：bootConfig.c文件實現完成從某個服務器下載真正的VxWorks內核映像到系統RAM中（由變量RAM_LOW_ADRS指向的內存地址處），并跳轉到sysInit函數（定義在sysALib.s文件中第一個且必須是第一個函數，該函數即被裝載到變量RAM_LOW_ADRS指向的內存地址處）執行；usrConfig.c文件實現完成一個操作系統正常運行所需要的所有初始化工作。簡言之，bootConfig.c文件完成VxWorks內核映像的下載，而usrConfig.c完成初始化VxWorks操作系統的所有工作。

按bootrom執行方式的不同，bootrom文件存在如下三種文件類型。

（1）bootrom.bin

它為壓縮bootrom文件形式，此種文件形式主要為解決開發板上ROM或者Flash的空間限制。注意：壓縮并非對所有的文件進行壓縮，而是除了romInit.s和bootInit.c文件的其他所有文件，因為解壓縮程序必須是非壓縮形式的。

bootrom執行流程如下（以下采用“文件名：函數名：初始是否被壓縮”形式進行說明）。

① romInit.s：romInit：非壓縮。

romInit函數完成系統硬件環境下必要的初始化工作，如從系統角度禁止中斷，初始化相關寄存器到可知狀態，初始化內存控制器，初始化函數調用所需的棧，最后跳轉到romStart函數執行。

② bootInit.c：romStart：非壓縮。

romStart函數主要完成如下任務：

首先將romInit函數及其自身復制到RAM_LOW_ADRS變量指向的RAM區，以便從RAM執行。注意，此后在下載VxWorks內核映像時，內核映像也被下載到RAM_LOW_ADRS變量指向的內存處，所以這部分代碼此后將被覆蓋，同樣，bootrom占用的所有其他內存最后也將被VxWorks內核回收（如由RAM_HIGH_ADRS指向的內核空間）。

● 將bootrom程序其他部分（壓縮部分）從ROM區復制到RAM區（由RAM_HIGH_ADRS變量指向的內存地址處），并解壓縮。

● 對于cold boot（冷啟動）方式，將其復制到RAM區清零。

● 最后跳轉到usrInit（注意：是bootConfig.c文件中定義的）函數進行執行。

③ bootConfig.c：usrInit：壓縮。

usrInit函數此處主要進行外圍硬件初始化，為下載VxWorks內核映像做初始準備，而后創建tUsrBoot進程調用usrRoot程序進一步完成驅動程序初始化工作，為下載VxWorks內核映像做進一步工作，最后創建tBoot進程調用bootCmdLoop函數完成VxWorks的內核映像下載。在下載完成后，調轉到下載起始地址處執行，此時下載型VxWorks內核入口函數sysInit將被調用執行，真正開始VxWorks操作系統的啟動過程。最終在usrConfig.c:usrRoot函數執行完畢后，VxWorks操作系統即完成啟動，系統進入正常運行狀態。函數執行流程如下：（采用“映像類型：文件名：函數名”形式）

bootrom:romInit.s:romInit→bootrom:bootInit.c:romStart→bootrom:bootConfig.c:usrInit→bootrom:bootConfig.c:usrRoot→bootrom:bootConfig.c:bootCmdLoop→完成VxWorks內核映像下載，并跳轉到VxWorks內核入口函數（sysInit）執行代碼→VxWorks:sysALib.s:sysInit→VxWorks:usrConfig.c:usrInit→VxWorks:usrConfig.c:usrRoot→VxWorks操作系統完成啟動。

如圖3-5所示為bootrom完成下載VxWorks內核映像后的RAM布局，此時，之前bootrom占用的所有區域均被VxWorks操作系統回收。

圖3-5 VxWorks操作系統啟動后內存分布圖

（2）bootrom_uncmp.bin和bootrom_res.bin

上述兩種形式的bootrom執行流程基本與bootrom.bin相同。差別在于：

① bootrom_uncmp.bin。

該文件類型為非壓縮類型，所以區別以上壓縮形式的地方在于romStart函數將bootrom從ROM移動到RAM中時，無須進行解壓縮工作，移動到的RAM區地址仍然由RAM_HIGH_ADRS變量指定。注意，對于非壓縮bootrom，所有的代碼（包括已經執行的romInit函數、當前執行的romStart函數、構成bootrom的其他所有函數）都一次性從ROM復制到RAM中，RAM中目的地址由RAM_HIGH_ADRS變量指定，如圖3-1所示。函數執行流程同壓縮版本。

② bootrom_res.bin。

res全稱為resident，此處的意思為程序代碼部分將駐留在ROM中，所以不同于上文中的地方，即romStart函數只復制bootrom引導程序的數據段到RAM_HIGH_ADRS變量指向的RAM區。代碼執行還是從ROM區中取，此種方式一般在開發板ROM區較大時采用，但會增加執行時間，另外，由于需要從ROM中直接執行，故也不能采用代碼壓縮方式。

下載方式中使用的VxWorks內核映像一般命名為“VxWorks”（不包含內核符號表，此時創建一個獨立的內核符號表文件VxWorks.sym，如果需要將內核符號表包含其中，則在config.h文件中定義INCLUDE_STANDALONE_SYM_TBL組件）或者“VxWorks_st”（內含內核符號表），而其他啟動方式（一般就為ROM啟動方式）下的VxWorks內核映像名都具有一個后綴，如VxWorks_rom表示從ROM直接啟動，VxWorks_res_rom表示代碼部分駐留在ROM中，當然也是從ROM直接啟動。下載方式下，VxWorks內核映像文件構成以及完成下載后VxWorks內核函數的調用流程在前文已有介紹，此處不再贅述。

3.1.4 ROM型啟動方式概述

所有的VxWorks內核映像類型中，只有VxWorks類型使用上文中介紹的bootrom引導程序進行啟動，此時VxWorks內核映像放置在主機端，由目標板bootrom完成VxWorks的下載，一般通過網口（或串口）方式進行。其他類型（文件名中帶有rom字樣的）無須bootrom的配合，也即不需要bootrom。因為這些VxWorks類型的內核映像自身（而非bootrom）被燒入開發板系統ROM或者Flash中，均無須進行下載，系統上電時，將直接跳轉到VxWorks內核映像入口函數執行操作系統的初始化工作。

ROM型啟動方式下的VxWorks內核映像類型有以下幾類。

① VxWorks_rom.bin：非壓縮版VxWorks內核映像類型不含內核符號表。如果需要包含內核符號表，則在config.h文件中定義INCLUDE_STANDALONE_SYM_TBL組件。

② VxWorks.res_rom.bin：非壓縮版代碼駐留ROM中執行的VxWorks內核映像類型（含內核符號表）。

③ VxWorks.res_rom_nosym.bin：非壓縮版代碼駐留ROM中執行的，不包含內核符號表的VxWorks內核映像類型。

④ VxWorks.st_rom.bin：壓縮版本的內含內核符號表的VxWorks內核映像類型。

⑤ VxWorks_romCompress.bin：壓縮版的不含內核符號表的VxWorks內核映像類型。

不同的VxWorks內核版本下，在內核映像名稱上會有所變化，但一般都包含在以上類型中。從這些映像類型來看，主要有以下區分：

● 是否為ROM駐留方式，即代碼是否被復制到RAM中執行。

● 是否進行了壓縮。

● 是否包含符號表。

以下從三個不同角度介紹它們的不同點，首先以VxWorks_rom.bin文件類型介紹執行的基本流程（采用“文件名：函數名”方式）。

1）romInit.s：romInit。

此處romInit函數完成的工作同bootrom，實際上，二者使用相同的romInit函數實現。

2）bootInit.c：romStart。

首先將其自身復制到RAM_HIGH_ADRS變量指向的RAM區，以便從RAM執行。注意與上文中bootrom的區別，雖然使用的是相同的romStart函數實現，但在RAM地址上存在差別，關鍵點在于VxWorks內核映像被復制到RAM_LOW_ADRS指向的內存地址處。

romStart函數完成如下任務：

● 由于是非壓縮版本的VxWorks內核映像，故所有的代碼一次性從ROM復制到由RAM_LOW_ADRS變量指向的RAM內存處。

● 對于cold boot（冷啟動）方式，將其他BSS區清零。

● 最后跳轉到usrInit（注意：是usrConfig.c文件中定義的）函數進行執行。

3）此后的執行流程為：usrConfig.c:usrInit→usrConfig.c:usrRoot。usrConfig.c:usrRoot函數執行完畢后，VxWorks操作系統即已完成啟動，系統進入正常運行狀態。

其他ROM型VxWorks內核映像啟動流程差別如下：

1）是否為ROM駐留方式。

對于ROM駐留方式而言，在以上第一步中只將數據部分從ROM載入到由RAM_LOW_ADRS指向的內存區域，代碼仍然滯留在ROM中，此后一直從ROM中讀取代碼執行，此種執行方式造成效率的部分損失，一般也較少使用。涉及的文件類型為：

        VxWorks.res_rom.bin和VxWorks.res_rom_nosym.bin。

2）是否進行了壓縮。

對于壓縮的VxWorks內核映像，在以上第一步復制中，將分兩個階段完成：第一階段完成非壓縮代碼（romInit函數、romStart函數）的復制，這部分代碼被復制到RAM_HIGH_ADRS指向的RAM內存處；第二階段完成壓縮代碼的解壓縮和復制過程，這部分代碼被解壓縮到RAM_LOW_ADRS指向的RAM內存處。

3）是否包含了符號表。

所謂符號表，是內核中定義的所有函數與其（虛擬）地址的對應關系表。符號表與VxWorks內核映像一般是分離的，為了調試方便，一般需要獨立的載入符號表，當然也可以將符號表納入VxWorks內核映像中作為一個整體。VxWorks.st_rom.bin文件類型即將符號表作為了內核映像的一部分。

符號表最大的作用是在命令行直接輸入函數名即可運行該函數，內核查詢符號表獲得對應的地址并轉到該地址處執行。另外，在調試時，也可以對地址進行函數名標注，從而方便調試，符號表與VxWorks內核通常是獨立的，所以無論是否包含符號表，都不會對內核初始化流程造成影響。當VxWorks內核映像被載入RAM后，進入usrInit函數執行時，最終分布圖如圖3-5所示。

ROM型VxWorks內核映像類型啟動流程總結如下（由于其中只涉及VxWorks內核，故采用“文件名：函數名”方式）。

romInit.s:romInit→bootInit.c:romStart→完成VxWorks內核從ROM到RAM的復制（和解壓縮）→usrConfig.c:usrInit→usrConfig.c:usrRoot→VxWorks操作系統啟動完成。