嵌入式：BSP的理解

Posted 2023-03-30 John_xx

BSP概念总结

• BSP定义
• BSP的特点
• BSP的主要工作
• BSP在嵌入式系统和Windowsx系统中的不同
• BSP和PC机主板上的BIOS区别
• BSP与 HAL关系

嵌入式计算机系统主要由 硬件层，中间层，系统软件层和应用软件层四层组成。

1. 硬件层：包含CPU，存储器(SDRAM，ROM，Flash等),通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O)，其中操作系统和应用程序都可以固话在ROM中。
2. 中间层：硬件层与软件层之间称为中间层，可以称为硬件抽象层(Hardware Abstract Layer , HAL)或板级支持包BSP(Board Support Package)
3. 系统软件层：系统软件层由操作系统(RTOS，Linux，VxWindows)，文件系统，网络系统及通用组件模块组成。
4. 应用软件层：应用软件层是由操作系统开发的应用软件程序组成，用来实现某种功能或者业务。

BSP定义

硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层(Hardware Abstract Layer HAL)或板级支持包(Board Support Package BSP) ，它将系统上层与底层硬件分类开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上次软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层体用的接口即可进行开发，该层一般包含相关底层硬件的初始化，数据的输入，输出操作和硬件的配置功能。

应该说是属于操作系统的一部分，主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。

BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP。
🚀🚀🚀如下图所示 BSP定义。

BSP的特点

• 硬件相关性 ： 因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。
• 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式，实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。

BSP的主要工作

设计一个完整的BSP需要完成两部分工作，嵌入式系统的硬件初始化以及设计硬件相关的设备驱动程序。

🚀1. 嵌入式系统硬件初始化
从硬件到权健的次序，可以将硬件初始化分为3个部分，分别为片级初始化，板级初始化和系统级初始化。

片级初始化：主要工作是完成嵌入式微处理的初始化，即 RAM，PowerPC等CPU初始化工作，包括设置 微处理的核心寄存器和控制寄存器，微处理器核心工作模式和微处理的局部总线模式等。片级初始化把微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态，这是一个纯一年的初始化过程。
板级初始化： 主要工作是完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化，即外围电路的初始化，另外，还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件好软件环境，这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。
系统级初始化：主要工作是进行操作系统的初始化，BSP将对嵌入式微处理的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加载并初始化其他系统软件模块，如：网络系统，文件系统等。最后，操作系统创建应用程序环境，并见控制权交给应用程序的入口。

🚀 2. 设计硬件相关的设备驱动程序
BSP的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动，硬件相关的设备驱动程序的初始化通常是一个从 高到低的过程，尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由于 BSP使用，而是在系统初始化过程中由BSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作，与硬件相关的驱动程序 是BSP设计与开发中另一个非常重要的环节

BSP在嵌入式系统和Windowsx系统中的不同

🚀在日常生活使用的PC机上(WIndows或Linux)也是有 BSP的，只是PC机均采用的 CPU架构为统一的 x86体系架构，因此操作系统的 BSP相对于 x86架构是单一确定的，不需要做任何修改就可以很统支持操作系统在 x86上正常运行，所以在PC机上谈论 x86这个概念就显得没什么意思了。
🚀 但是在嵌入式系统则完全不同，目前市场上存在多种架构的嵌入式 CPU(ARM，MIPS，RISC-V等)，同时外围设备也会根据需求有不同的选择和定义，一个嵌入式操作系统针对不同的CPU，就会有不同的 BSP，即使用一种CPU，由于外设的差异，其BSP也会部分不一样，所以根据硬件设计编写和修改BSP，保证系统正常的运行工作是非常重要的。

BSP和PC机主板上的Bios区别

🚀BSP和PC机主板上的BIOS区别很大，BIOS主要是负责在电脑开启时检测，初始化系统设备(设置栈指针，中断分配，内存初始化等)，装入操作系统并调度操作系统向硬件发出的指令，它的 Firmware代码是在芯片生成过程中固话的，一般来说用户是无法修改的，其实就是为下载运行操作系统做的准备，把操作系统由硬盘加载到内存中，并传递一些硬件接口设置给系统。
🚀 在操作系统运行正常后，BIOS的作用基本上也就完成了，这就是为什么更改BIOS一定要关机重启。PC机BIOS的作用更像嵌入式系统中的 Bootloader（最底层的引导软件，初始化主板的基本设置，为接收外部程序做硬件上的准备），与Bootloader 不同的是 BIOS在装载 OS系统的同时，还传递一些参数设置(中断端口定义等)，而 Bootloader 只是简单的装载系统。
🚀 BSP和操作系统绑在一起运行在主板上，尽管BSP的开始部分和 BIOS所做的工作类似，可是大部分和BIOS不同，作用也完全不同，此外BSP还包含和系统有关的基本驱动(串口，网口等)，此外程序员还可以编程修改 BSP， 在BSP中任意添加一些和系统无关的驱动或者程序，慎重可以把上次开发的软件放到 BSP中，而 BIOS程序用户是不能修改的。

BSP与 HAL关系

硬件的变动将会对 BSP造成大规模的改动，这无疑对 BSP的维护是一种巨大的负担。
🚀 引入HAL(硬件抽象层)的概念，由HAL库 对BSP库进一步的封装，形成统一的标准，而下次再改动硬件电路部分时，只需要改动 BSP库的具体功能函数，而不需要对上层进行任何的修改。

(linux)BSP板级支持包开发理解

1. 概述

嵌入式系统由硬件环境、嵌入式操作系统和应用程序组成，硬件环境是操作系统和应用程序运行的硬件平台，它随应用的不同而有不同的要求。硬件平台的多样性是嵌入式系统的主要特点，如何使嵌入式操作系统在不同的硬件平台上有效地运行，是嵌入式系统开发中需要解决的关键问题。解决的方法是在硬件平台和操作系统之间提供硬件相关层来屏蔽这些硬件的差异，给操作系统提供统一的运行环境，这种硬件相关层就是嵌入式系统中的板级支持包BSP(Board Support Package，简称BSP)。

2. BSP及其作用

BSP是嵌入式系统中介于硬件平台和操作系统之间的中间层软件，主要目的是为了屏蔽底层硬件的多样性，根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作，向操作系统提供底层硬件信息并最终启动操作系统。BSP具有硬件相关性和操作系统相关性的特点，其主要作用包括：

1. 初始化底层硬件，为操作系统提供底层硬件信息；
2. 初始化相关硬件设备，主要是存储设备、通信设备；
3. 检测系统硬件是否正常；
4. 加载操作系统并启动系统运行。

3. 嵌入式Linux系统BSP的实现

BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统有不同定义形式的BSP，要求BSP所实现的功能也有所不同。在嵌入式Linux系统中，主要是初始化底层硬件并引导操作系统；同时，BSP又是和硬件相关的，还要考虑对硬件的初始化操作。
在不同的开发阶段，因为核心和文件系统所处的位置不同，BSP所要完成的工作也有所不同：
在开发调试阶段，BSP要能够与主机通信并从主机下载核心；
在目标产品中，BSP要能够从非易失存储设备中加载核心。

3.1 开发调试阶段BSP的实现

开发初期由于调试系统的需要，BSP需把核心和文件系统从主机直接下载到目标板的内存中运行.
BSP要完成如下工作：
1. 硬件的初始化和配置
2. 通信设备的初始化
BSP需与主机通信，从主机下载核心和文件系统，因此要完成相应通信设备的初始化。与主机通信的设备一般是网卡和串口。
串口间通信要遵循一定的协议，包括数据格式、同步方式、传输速率、纠错方式等。对串口的初始化就是对这些协议进行设定，使通信双方处于相同的传输模式。在目标板上初始化串口是通过设置其寄存器实现的：设置串口的行控制寄存器确定串口接收数据的格式，设置串口的波特率产生寄存器确定串口接收数据的速率。设置串口的通信协议为：八个数据位、一个停止位，没有奇偶校验位，9600波特率。串口初始化后就可以从其数据接收寄 存器中读取数据。
对网卡初始化也是通过设置其寄存器实现的，设置控制寄存器，使网卡处于接收模式。用网卡与主机通信时，主机端的通信程序要知道目标板上网卡的MAC地址才能发送数据。因此，我们要把网卡的MAC地址设定为指定值。
从网卡的数据接收寄存器读取数据时要把数据包中的非数据信息(包的状态、长度、原地址、目的地址和类型)丢掉。
BSP从主机接收文件，因此必须要提供主机与BSP通信的程序。主机端的通信程序可用操作系统提供的系统调用直接设置串口的属性，使主机端串口的通信协议与目标板串口的通信协议一致。主机端的程序通过与目标板连接的串口线将数据写到目标板串口的数据寄存器中。用网卡时，用原始套接口对网卡进行写操作，把数据包发送到目标板上网卡的数据接收缓存寄存器中。
3. 从主机接收核心和文件系统，启动核心运行
系统加电时，BSP从位于0地址的非易失存储器FLASH中执行，和运行在主机上的程序通信，从串口或网卡的数据寄存器中读取数据，把核心和文件系统下载到内存中指定的位置，最后将CPU中的程序计数器PC置为核心在内存中的起始地址，实现核心启动。但是，程序在FLASH中执行时不能对变量进行写操作，为了使程序能正确执行，BSP必须将自己重定位(即把自己搬运到)到内存中，并且在进入c语言函数执行前要设置好堆栈指针。
其主要实现过程的伪码如下：

    硬件(cup、内存等)初始化；
    通信设备(网卡、串口)初始化；
    将自己重定位到内存中；
    设置系统的堆栈指针；
    跳转到从串口读取核心和文件系统的函数；
    从串口读取核心和文件系统的函数(void)
    
        while(核心没读取完)
            while(串口的接收数据寄存器为空)(等待)；
            从串口的数据寄存器读取数据到内存中；
            核心大小减去已读取的大小，确定核心是否读取完；
            if(核心读取完)
                -asmmov pc，一核心在内存中的起始地址；
        
    

3.2. 目标产品中BSP的实现

3.2.1 BSP独立实现

把核心和文件系统直接从主机下载到内存中运行，只适用于开发调试阶段。目标产品中核心和文件系统烧写在非易失性存储设备上，因此BSP要从这些设备中加载并启动核心。此时，BSP不需要与主机通信，可以将其单独实现在产品中。将BSP单独实现时，可以根据需要向其中灵活地添加多种功能：启动核心前检测内存是否能被正确读写，通过判断网卡、声卡等硬件的属性寄存器确定硬件设备是否正常等。
此时，BSP要完成的工作如下：

1. 初始化硬件及存储设备。
2. 测试硬件设备是否正常。
3. 从相应的存储设备中加载核心到内存中，并启动核心.

硬件的初始化和配置与前面相同，主要完成CPU和内存的初始化。此时，BSP要从存储设备中加载并启动核心，因此要对存储设备(一般是FLASH或CF卡)进行初始化，使其能被正确寻址。BSP中读取核心的代码与具体的操作系统及文件格式无关，不能从文件系统层把核心作为一个文件读进来，只能从硬件接口来实现具体的操作，把核心从存储设备读入内存，然后把核心的开头当作一段程序的起点，使CPU转入核心执行.
非易失性存储器FLASH和内存统一寻址，对它的访问和访问内存是一样的，可以利用寄存器将核心直接从FALSH读取到内存。CF卡相对内存来说属于外设，对其进行读取操作是通过控制其寄存器(数据寄存器、状态与控制寄存器)来实现的，向其控制寄存器发布ATA命令OA何处读取，读取数据的大小等)后，判断其状态寄存器是否准备好，才能从其数据寄存器中读取数据到内存中。把核心从非易失性存储设备读到内存中后，将CPU中的程序计数器PC置为核心在内存中的起始地址，实现系统的启动。
对应的伪码如下：

硬件(cup、内存等)初始化；
存储设备(FLASH、CF卡)初始化；
测试硬件设备是否正常；
根据CF卡的属性寄存器判断CF卡是否存在；
如果存在，跳转到从CF卡加载核心到内存的函数；
如果不存在，直接将核心从FLASH加载到内存中；
mov pc，一核心在内存中的起始地址；
从CF卡加载核心到内存的函数(void)

    while(核心没加载完)
        向CF卡发布ATA命令，确定从CF卡的哪一块开始读，
        读多少块
        while(CF卡的状态没准备好)等待；
        从CF卡的数据寄存器读数据到内存中；
        核心大小减去所读的块数乘以块大小；
        if(核心加载完)
            -asmmow pc，=核心在内存中的起始地址；
    

3.2.2 在核心中实现BSP

BSP单独实现易于修改，当硬件改变时，只需要对相关硬件的初始化代码进行修改并重新编译。但是，对于嵌入式系统的存储介质FLASH，有些文件系统对它的分区有字节对齐性的要求，也就是说分区必须是特定大小或特定大小的倍数才能有写访问权限，如果把BSP单独写在一个分区中会造成存储空间的浪费。实质上，BSP是属于操作系统的一部分且和操作系统绑定在一起运行，在开发板硬件固定的情况下，可以将其实现在Linux核心中。在核心中实现BSP时，BSP应能向核心提供必要的底层硬件信息，实现核心从非易失性存储器FLASH到内存的加载和启动。
在嵌入式系统的存储介质FLASH中没有所谓的引导扇区，相应的嵌入式Linux内核映象zImage也没有如PC机上的引导扇区代码bootsect及辅助代码setup，而是由head.o、misc.o、head-xscale.o和piggy.o几个文件顺序连接而成。其中，head.o是由／arch／arm／boot／compressed／head．S汇编而成，是核心最先执行的代码，主要作用是用misc.o解压缩核心并使CPU转到核心解压缩后所在的内存地址执行。head-xscale.o是体系结构相关的代码。piggy.o是系统启动后保留在内存中的全部有用程序[3]，也就是head.o要解压缩的代码。由以上分析可知，嵌入式Linux的内核不能自启动，要启动核必须满足以下两个条件：

1. 系统硬件已被正确初始化；
2. 核心在内存中，并且CPU中的程序计数器被置为核心在内存中的起始地址。

在核心中实现BSP时，BSP必须位于核心代码的最前面，即将其实现在head.S文件的最前面，完成如PC 机上的BIOS、bootsect和setup的功能。同时，要保证核心在加载到内存后必须能跳转到和没有BSP时核心中相同的地方执行。重新编译核心后，就将BSP实现在核心映象zImage中的开始代码中。把核心烧到FLASH的0地址，系统启动时首先执行上述代码，将核心加载到内存中执行，实现核心的自启动。