第3章 VxWorks操作系统启动过程详解

本章将着重分析VxWorks的启动过程，首先，简单介绍VxWorks操作系统支持的几种启动方式，每种启动方式下映像的组成和基本启动流程；其次，详细介绍下载启动方式下bootrom的组成和执行流程；再次，详细介绍VxWorks本身的启动过程；最后，详细介绍BSP下的文件组成。

3.1 VxWorks操作系统启动

3.1.1 VxWorks基本启动方式

按VxWorks内核的下载形式，VxWorks启动总体上分为两种方式：下载型和ROM型。

● 下载型启动方式：bootrom+VxWorks。此时bootrom被烧入ROM中，而VxWorks内核映像通过串口或者网口下载到系统RAM中。

● ROM型启动方式：VxWorks直接从ROM中运行，不借助于bootrom引导程序。此时VxWorks内核映像被烧入ROM中，无bootrom程序。

对于不同的启动方式，VxWorks操作系统内核映像的组成也略有不同。

bootrom引导程序一般称为VxWorks boot Image。该程序由如下文件创建而成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、bootConfig.c、设备驱动程序。

VxWorks内核映像一般被称为VxWorks Application Image。VxWorks内核映像是系统启动后实际运行的程序（操作系统本身）。对于下载形式的VxWorks内核映像，由于需要对硬件环境进行重新初始化（即不依赖于romInit函数所做的初始化工作），所以最先需要运行sysInit函数进行重新初始化，这些初始化工作与romInit函数基本相同，但是不再需要对内存控制器进行重新初始化，这是sysInit区别于romInit函数之处。sysInit最后跳转到usrInit函数。而对于ROM方式直接运行的VxWorks内核映像，由于romInit.s函数此时是作为内核映像的一部分，所以就省去了对sysInit函数的调用。下载型和ROM型在VxWorks内核文件的构成上有一些差别。

● 下载形式的VxWorks内核映像组成：sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、设备驱动程序文件。

● ROM形式的VxWorks内核映像组成：romInit.s、bootInit.c、sysALib.s、sysLib.c、usrConfig.c、设备驱动程序文件。

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

3.1.2 VxWorks操作系统内存布局

在VxWorks操作系统过程中可能使用到的BootRom和VxWorks内核映像本身都可以存在两种方式：压缩的和非压缩的。

1.非压缩形式

如果没有进行压缩，则只有一次重定位，即从ROM到RAM只存在一次代码复制过程，所有ROM中存储的代码都被一次性复制到RAM中。

① 对于BootRom而言，所有的代码被一次性复制到RAM_HIGH_ADRS指定地址处，如图3-1所示。

图3-1 非压缩版BootRom引导程序ROM及载入RAM后分布图

② 对于VxWorks_rom而言，所有的代码被一次性复制到RAM_LOW_ADRS指定地址处，如图3-2所示。

图3-2 非压缩版VxWorks_rom内核映像类型ROM及载入RAM后布局图

2.压缩形式

如果有进行压缩，则代码复制过程将分为两次，一次是非压缩代码，另一次是压缩代码，且二者复制到内存不同的位置处。

① 对于BootRom而言，非压缩代码（romInit.s、bootInit.c）被直接复制到RAM_LOW_ADRS处；压缩代码复制到RAM_HIGH_ADRS处，并在复制过程中完成解压缩，如图3-3所示。

图3-3 压缩版BootRom引导程序ROM及载入RAM后分布图

② 对于VxWorks_rom而言，非压缩代码（romInit.s、bootInit.c）被直接复制到RAM_HIGH_ADRS处；压缩代码复制到RAM_LOW_ADRS处，并在复制过程中完成解压缩，如图3-4所示。

图3-4 压缩版VxWorks_rom内核映像类型ROM及载入RAM后分布图

事实上，对于压缩版本，在进行编译时，进行了两次代码链接：一次是针对压缩代码的链接，另一次是将非压缩代码和压缩代码整合在一起时的链接。注意，在进行非压缩代码和压缩代码的整合时，压缩代码部分是作为数据进入整个映像的，所以不会对其进行重新链接。对压缩代码的链接，实际上是在代码被压缩之前完成的，完成代码的链接后，生成特定格式的目标文件（如ELF或者COFF），为了在解压缩后可以直接执行，首先必须将其转成二进制可执行文件，通过objcopy函数完成此项功能，此后对生成的二进制可执行文件调用deflate函数进行压缩，由于需要将压缩后的代码最后整合到整个映像中，故压缩后的文件还需要通过binToAsm工具进行转换，转成一个汇编源文件，该文件将压缩后的二进制代码作为数据部分进行保存，从而避免在与非压缩代码最后进行二次链接时被修改。

两步链接过程中各自指定了不同的链接地址，对于压缩代码而言，其分为两种情况，对于BootRom，压缩代码被链接到了RAM_HIGH_ADRS地址处，而对于VxWorks_rom，则被链接到了RAM_LOW_ADRS地址处，在与非压缩代码进行整合链接时指定的链接地址（即_romInit函数地址）与压缩代码链接时指定的地址相对应：如果压缩代码为RAM_HIGH_ADRS，则最后整合时就为RAM_LOW_ADRS；如果压缩代码为RAM_LOW _ADRS，则整合时就为RAM_HIGH_ADRS。

3.1.3 下载型启动方式概述

下载形式的VxWorks启动方式需要bootrom引导程序，该程序将被烧录到开发板的ROM或者Flash中，在上电时，系统将自动跳转到ROM或者Flash起始地址处运行该bootrom引导程序，该引导程序进行必要的系统初始化，从而为下载VxWorks内核映像做准备，如通过网口下载时，则需要先调用网口驱动程序进行网口初始化。

由于bootrom的主要工作是下载真正的VxWorks内核映像到系统RAM中，所以其进行的初始化工作也是为这一目的，在文件组织上，虽然从上文中可以看到其与VxWorks内核映像的文件组成非常相似，但其使用bootConfig.c文件，而VxWorks内核映像则使用usrConfig.c文件。这两个文件中虽然定义有相同的函数名（如usrInit、usrRoot），但在实现上存在很大的差异：bootConfig.c文件实现完成从某个服务器下载真正的VxWorks内核映像到系统RAM中（由变量RAM_LOW_ADRS指向的内存地址处），并跳转到sysInit函数（定义在sysALib.s文件中第一个且必须是第一个函数，该函数即被装载到变量RAM_LOW_ADRS指向的内存地址处）执行；usrConfig.c文件实现完成一个操作系统正常运行所需要的所有初始化工作。简言之，bootConfig.c文件完成VxWorks内核映像的下载，而usrConfig.c完成初始化VxWorks操作系统的所有工作。

按bootrom执行方式的不同，bootrom文件存在如下三种文件类型。

（1）bootrom.bin

它为压缩bootrom文件形式，此种文件形式主要为解决开发板上ROM或者Flash的空间限制。注意：压缩并非对所有的文件进行压缩，而是除了romInit.s和bootInit.c文件的其他所有文件，因为解压缩程序必须是非压缩形式的。

bootrom执行流程如下（以下采用“文件名：函数名：初始是否被压缩”形式进行说明）。

① romInit.s：romInit：非压缩。

romInit函数完成系统硬件环境下必要的初始化工作，如从系统角度禁止中断，初始化相关寄存器到可知状态，初始化内存控制器，初始化函数调用所需的栈，最后跳转到romStart函数执行。

② bootInit.c：romStart：非压缩。

romStart函数主要完成如下任务：

首先将romInit函数及其自身复制到RAM_LOW_ADRS变量指向的RAM区，以便从RAM执行。注意，此后在下载VxWorks内核映像时，内核映像也被下载到RAM_LOW_ADRS变量指向的内存处，所以这部分代码此后将被覆盖，同样，bootrom占用的所有其他内存最后也将被VxWorks内核回收（如由RAM_HIGH_ADRS指向的内核空间）。

● 将bootrom程序其他部分（压缩部分）从ROM区复制到RAM区（由RAM_HIGH_ADRS变量指向的内存地址处），并解压缩。

● 对于cold boot（冷启动）方式，将其复制到RAM区清零。

● 最后跳转到usrInit（注意：是bootConfig.c文件中定义的）函数进行执行。

③ bootConfig.c：usrInit：压缩。

usrInit函数此处主要进行外围硬件初始化，为下载VxWorks内核映像做初始准备，而后创建tUsrBoot进程调用usrRoot程序进一步完成驱动程序初始化工作，为下载VxWorks内核映像做进一步工作，最后创建tBoot进程调用bootCmdLoop函数完成VxWorks的内核映像下载。在下载完成后，调转到下载起始地址处执行，此时下载型VxWorks内核入口函数sysInit将被调用执行，真正开始VxWorks操作系统的启动过程。最终在usrConfig.c:usrRoot函数执行完毕后，VxWorks操作系统即完成启动，系统进入正常运行状态。函数执行流程如下：（采用“映像类型：文件名：函数名”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内核映像下载，并跳转到VxWorks内核入口函数（sysInit）执行代码→VxWorks:sysALib.s:sysInit→VxWorks:usrConfig.c:usrInit→VxWorks:usrConfig.c:usrRoot→VxWorks操作系统完成启动。

如图3-5所示为bootrom完成下载VxWorks内核映像后的RAM布局，此时，之前bootrom占用的所有区域均被VxWorks操作系统回收。

图3-5 VxWorks操作系统启动后内存分布图

（2）bootrom_uncmp.bin和bootrom_res.bin

上述两种形式的bootrom执行流程基本与bootrom.bin相同。差别在于：

① bootrom_uncmp.bin。

该文件类型为非压缩类型，所以区别以上压缩形式的地方在于romStart函数将bootrom从ROM移动到RAM中时，无须进行解压缩工作，移动到的RAM区地址仍然由RAM_HIGH_ADRS变量指定。注意，对于非压缩bootrom，所有的代码（包括已经执行的romInit函数、当前执行的romStart函数、构成bootrom的其他所有函数）都一次性从ROM复制到RAM中，RAM中目的地址由RAM_HIGH_ADRS变量指定，如图3-1所示。函数执行流程同压缩版本。

② bootrom_res.bin。

res全称为resident，此处的意思为程序代码部分将驻留在ROM中，所以不同于上文中的地方，即romStart函数只复制bootrom引导程序的数据段到RAM_HIGH_ADRS变量指向的RAM区。代码执行还是从ROM区中取，此种方式一般在开发板ROM区较大时采用，但会增加执行时间，另外，由于需要从ROM中直接执行，故也不能采用代码压缩方式。

下载方式中使用的VxWorks内核映像一般命名为“VxWorks”（不包含内核符号表，此时创建一个独立的内核符号表文件VxWorks.sym，如果需要将内核符号表包含其中，则在config.h文件中定义INCLUDE_STANDALONE_SYM_TBL组件）或者“VxWorks_st”（内含内核符号表），而其他启动方式（一般就为ROM启动方式）下的VxWorks内核映像名都具有一个后缀，如VxWorks_rom表示从ROM直接启动，VxWorks_res_rom表示代码部分驻留在ROM中，当然也是从ROM直接启动。下载方式下，VxWorks内核映像文件构成以及完成下载后VxWorks内核函数的调用流程在前文已有介绍，此处不再赘述。

3.1.4 ROM型启动方式概述

所有的VxWorks内核映像类型中，只有VxWorks类型使用上文中介绍的bootrom引导程序进行启动，此时VxWorks内核映像放置在主机端，由目标板bootrom完成VxWorks的下载，一般通过网口（或串口）方式进行。其他类型（文件名中带有rom字样的）无须bootrom的配合，也即不需要bootrom。因为这些VxWorks类型的内核映像自身（而非bootrom）被烧入开发板系统ROM或者Flash中，均无须进行下载，系统上电时，将直接跳转到VxWorks内核映像入口函数执行操作系统的初始化工作。

ROM型启动方式下的VxWorks内核映像类型有以下几类。

① VxWorks_rom.bin：非压缩版VxWorks内核映像类型不含内核符号表。如果需要包含内核符号表，则在config.h文件中定义INCLUDE_STANDALONE_SYM_TBL组件。

② VxWorks.res_rom.bin：非压缩版代码驻留ROM中执行的VxWorks内核映像类型（含内核符号表）。

③ VxWorks.res_rom_nosym.bin：非压缩版代码驻留ROM中执行的，不包含内核符号表的VxWorks内核映像类型。

④ VxWorks.st_rom.bin：压缩版本的内含内核符号表的VxWorks内核映像类型。

⑤ VxWorks_romCompress.bin：压缩版的不含内核符号表的VxWorks内核映像类型。

不同的VxWorks内核版本下，在内核映像名称上会有所变化，但一般都包含在以上类型中。从这些映像类型来看，主要有以下区分：

● 是否为ROM驻留方式，即代码是否被复制到RAM中执行。

● 是否进行了压缩。

● 是否包含符号表。

以下从三个不同角度介绍它们的不同点，首先以VxWorks_rom.bin文件类型介绍执行的基本流程（采用“文件名：函数名”方式）。

1）romInit.s：romInit。

此处romInit函数完成的工作同bootrom，实际上，二者使用相同的romInit函数实现。

2）bootInit.c：romStart。

首先将其自身复制到RAM_HIGH_ADRS变量指向的RAM区，以便从RAM执行。注意与上文中bootrom的区别，虽然使用的是相同的romStart函数实现，但在RAM地址上存在差别，关键点在于VxWorks内核映像被复制到RAM_LOW_ADRS指向的内存地址处。

romStart函数完成如下任务：

● 由于是非压缩版本的VxWorks内核映像，故所有的代码一次性从ROM复制到由RAM_LOW_ADRS变量指向的RAM内存处。

● 对于cold boot（冷启动）方式，将其他BSS区清零。

● 最后跳转到usrInit（注意：是usrConfig.c文件中定义的）函数进行执行。

3）此后的执行流程为：usrConfig.c:usrInit→usrConfig.c:usrRoot。usrConfig.c:usrRoot函数执行完毕后，VxWorks操作系统即已完成启动，系统进入正常运行状态。

其他ROM型VxWorks内核映像启动流程差别如下：

1）是否为ROM驻留方式。

对于ROM驻留方式而言，在以上第一步中只将数据部分从ROM载入到由RAM_LOW_ADRS指向的内存区域，代码仍然滞留在ROM中，此后一直从ROM中读取代码执行，此种执行方式造成效率的部分损失，一般也较少使用。涉及的文件类型为：

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

2）是否进行了压缩。

对于压缩的VxWorks内核映像，在以上第一步复制中，将分两个阶段完成：第一阶段完成非压缩代码（romInit函数、romStart函数）的复制，这部分代码被复制到RAM_HIGH_ADRS指向的RAM内存处；第二阶段完成压缩代码的解压缩和复制过程，这部分代码被解压缩到RAM_LOW_ADRS指向的RAM内存处。

3）是否包含了符号表。

所谓符号表，是内核中定义的所有函数与其（虚拟）地址的对应关系表。符号表与VxWorks内核映像一般是分离的，为了调试方便，一般需要独立的载入符号表，当然也可以将符号表纳入VxWorks内核映像中作为一个整体。VxWorks.st_rom.bin文件类型即将符号表作为了内核映像的一部分。

符号表最大的作用是在命令行直接输入函数名即可运行该函数，内核查询符号表获得对应的地址并转到该地址处执行。另外，在调试时，也可以对地址进行函数名标注，从而方便调试，符号表与VxWorks内核通常是独立的，所以无论是否包含符号表，都不会对内核初始化流程造成影响。当VxWorks内核映像被载入RAM后，进入usrInit函数执行时，最终分布图如图3-5所示。

ROM型VxWorks内核映像类型启动流程总结如下（由于其中只涉及VxWorks内核，故采用“文件名：函数名”方式）。

romInit.s:romInit→bootInit.c:romStart→完成VxWorks内核从ROM到RAM的复制（和解压缩）→usrConfig.c:usrInit→usrConfig.c:usrRoot→VxWorks操作系统启动完成。