本发明属于嵌入式系统领域，特别涉及一种实现vxworks操作系统快速启动的方法及装置。
背景技术：
：：vxworks以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用在通讯、军事、航空航天等实时性要求极高的领域中。采用freescalempc8377处理器搭载vxworks操作系统其启动时间一般为20s，甚至更长。虽然相比许多嵌入式操作系统启动时间几分钟来说已经非常快了，但在许多应用场景下，20秒的系统启动时间还是太长了。为了满足一些需要快速启动的特定环境及场合的需求，比如武器系统。《一种基于x86平台vxworks操作系统的快速启动优化方法》，该方法优化bios，并直接读取ide磁盘中的vxworks镜像，同时使用dma的方式提升vxworks的读取速度。该方法vxworks镜像放置于ide磁盘中，ide磁盘的初始化速度会影响启动速度。同时该方法仅在启动方式上进行优化，但未对启动的过程比如内存、系统组件等进行速度优化。《一种基于mpc5200b的vxworks系统快速启动方法》，该方法通过使用bat映射、配置网络phy、优化flash提升系统启动速度，同时在经典的bootrom vxworks的启动方式下，增加了映射flash文件系统的操作，形成了bootrom 映射flash文件系统 直接启动vxworks的启动方式。但该方法本质上依然沿用bootrom vxworks的启动方式，存在于bootrom和vxworks镜像的重复初始化部分依然影响启动速度。《x86飞控计算机快速启动方法》，该方法侧重于通过区分紧急和非紧急任务，将紧急任务编译进vxworks_rom镜像一起启动，而非紧急任务在完成系统启动后再次动态加载，并通过这种方式压缩镜像使vxworks_rom的镜像小于1m，并存放于启动盘中从而提升启动速度。这种方法对vxworks_rom镜像大小有严格的限制，对于较大内核无法实现启动。同时系统存在启动后的二次动态加载，对于需要全部任务一次性启动的需求不能很好的满足。技术实现要素：本发明的目的在于解决mpc8377处理器搭载vxworks操作系统启动时间长的问题，提高启动速度，使得mpc8377处理器和vxworks操作系统能够更好的应用于对启动速度有需求的场景。实现本发明目的的技术解决方案为：一种实现vxworks操作系统快速启动的方法，所述方法包括以下内容：(1)采用vxworks的vxworks_rom.bin内核进行镜像启动；(2)根据实际功能需求裁剪内核组件；(3)使用fpga扩展外部接口；(4)使用块地址转换的方式映射内存；(5)优化flash读写时序；(6)取消内存清零。一种实现vxworks操作系统快速启动的装置，所述装置包括：处理模块，用于执行存放在flash中的vxworks系统程序，实现所述vxworks_rom.bin内核的启动；用于通过与fpga通讯使得装置可通过各种扩展接口与外部机进行数据交换；用于完成fpga和flash的地址向内存空间映射；还用于优化flash读写时序并搬移vxworks_rom.bin内核到内存，跳过内存清零，执行vxworks操作系统剩余操作；fpga扩展模块，用于扩展处理模块的接口，实现装置与外部设备的数据交换；数据存储模块，用于存储vxworks_rom.bin内核程序和实现从0xfff00000跳转到0xffa00000功能的跳转程序，并划分部分空间作为整个装置的用户存储空间；内存模块，用于支撑处理模块搬迁vxworks_rom.bin内核及各种地址映射，支撑cpu完成vxworks系统程序运行；网络模块，用于辅助处理模块实现网络通讯功能。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)采用无需bootrom引导的vxworks_rom.bin内核即rom型镜像提升启动速度；2)根据功能需求裁剪组件，使得内核小型化，轻量化，达到在满足基本功能需求的同时尽可能缩短启动时间；3)使用fpga扩展外部接口，同时完成特定功能的固化，可以免去cpu的在启动中对其接口进行操作，在丰富装置接口的同时还能节省启动时间；4)使用块映射的方式能大大减少页表映射的快表大小，提升内存映射速度，从而加快启动速度；同时在尽量使用块映射的方法下，对于使用页表映射的方式的内存，在满足装置的前提下减小内存映射大小也能提升内存映射速度，加快启动速度；5)优化flash读写时序，可以缩短vxworks内核镜像从norflash拷贝到内存的时间，从而系统提高启动速度；6)去除不是必要步骤的内存清零，加快了启动速度；7)使得系统启动时间缩短至0.9s，满足特定场景对快速启动的需求，使得freescalempc8377处理器以及vxworks可以应用到对启动速度有要求的场景，扩展了使用范围。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明图1为一个实施例中实现vxworks操作系统快速启动的装置的结构框图。图2为一个实施例中使用vxworks镜像的启动流程图。图3为一个实施例中使用vxworks_rom.bin镜像的启动流程图。图4为一个实施例中本装置norflash的存储空间分配图。图5为一个实施例中地址跳转实现vxworks_rom.bin系统启动流程图。图6为一个实施例中optionregisters(orn)寄存器位定义图。图7为一个实施例中存在内存清零时，内核的搬迁启动流程图。图8为一个实施例中取消内存清零后，内核的搬迁启动流程图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。在一个实施例中，提供了一种实现vxworks操作系统快速启动的方法，所述方法包括以下内容：(1)采用vxworks的vxworks_rom.bin内核进行镜像启动；进一步地，在启动之前，需要在0xfff00000的地址进行地址跳转，直接跳转到vxworks_rom.bin内核存放位置。vxworks镜像称为vxworksapplicationimage，是系统启动实际运行的程序，vxworks操作系统有两类镜像：下载型镜像(loadableimages)：此时bootrom被烧入norflash，由bootrom引导通过网口或串口等方式将内核镜像下载到内存中运行。rom型镜像：将操作系统镜像直接烧入norflash并可以直接从norflash启动运行，无需借助bootrom。下载型镜像启动作为常用的vxworks启动方式需要先运行bootrom对cpu及加载内核所必须的硬件进行基本的初始化，并最终通过网络下载或者读取存储于flash中的vxworks镜像，开始运行vxworks操作系统。操作系统开始运行后，还会对cpu及所有硬件进行基本的初始化，由于下载型镜像的启动方式存在不可避免的重复的操作，导致它的启动效率有所下降。参照图2，图2为使用vxworks镜像的启动流程图。本发明采用无需bootrom引导的vxworks_rom.bin内核即rom型镜像提升启动速度。vxworks_rom.bin镜像作为可以自启动内核，无需bootrom初始化及下载，其本身就可以实现自举启动。其启动流程包括初始化cpu、初始化硬件、初始化内核、创建根任务，加载应用启动应用程序。在所有的启动流程中，不包含下载型镜像对bootrom的启动流程。参照图3，图3为使用vxworks_rom.bin镜像的启动流程图。虽然vxworks_rom.bin镜像有其启动速度上的优势，但使用vxworks_rom.bin启动存在一个问题，由于处理器mpc8377的启动首地址为0xfff00000，而从0xfff00000到地址空间的末尾0xffffffff只剩下1m空间。在下载型镜像的启动中，这段空间是用来存放引导用的bootrom的，而bootrom的存储一般1m已经足够，但若使用vxworks_rom.bin镜像启动，这1m空间需要存放vxworks_rom.bin，此时1m的空间就明显不够。所以，在采用vxworks_rom.bin镜像启动的基础上，还需要在0xfff00000的地址实现地址跳转，使得vxworks_rom.bin可以存放在其它地址，比如本发明使用地址0xffa00000，这样就有从0xffa00000到0xfff00000就有5m的空间来存放vxworks_rom.bin，满足vxworks_rom.bin存储需求，剩下的1m用来存放跳转程序。参照图4，图4为norflash的存储空间分配图。使用该跳转存储方案的启动流程参照图5。图5为地址跳转实现vxworks_rom.bin系统启动流程图。(2)根据实际功能需求裁剪内核组件；vxworks作为高性能的实时系统，其最重要的特点之一就是可裁剪性，组件技术使得构建vxworks更加高效，针对特定场景应用，可以对vxwoks的组件进行有计划的裁剪。越小的内核其需要执行的指令就会越少，同时，从norflash拷贝到内存时也会更块，启动所需时间就会越少。因此对内核组件进行裁剪，对缩短启动时间是有帮助的。但并不是说内核越小越好，因为我们的目的并不是启动操作系统，而是要在内核启动后执行特定的任务，完成特定的功能，因此一个裸内核启动并没有任何意义，即使某些功能可以在启动后动态加载，但动态加载同样要占用时间。所以，对内核的裁剪要在满足使用需求的同时，尽可能裁剪不必要的组件，从而达到在满足基本功能需求的同时尽可能缩短启动时间。本发明中对vxworks的系统裁剪主要涉及一些组件的显示功能，bootloader的功能及ata功能，cpu的电源管理，ftp客户端等功能，其实现方式为直接在配置文件中将相关的宏定义undef。示例代码如下：#undefinclude_hook_show#undefinclude_hw_fp_show#undefinclude_edr_sysdbg_flag#undefinclude_timex#undefinclude_exc_show#undefinclude_show_routines#undefinclude_ipaip_global_configs#undefinclude_task_vars#undefinclude_xbd_trans#undefinclude_ipproxyarp#undefinclude_show_routines#undefinclude_boot_app#undefinclude_ipwrap_ipproto#undefinclude_mem_show#undefinclude_vm_show#undefinclude_msg_q_show#undefinclude_sem_show#undefinclude_stdio_show#undefinclude_task_hooks_show#undefinclude_watchdogs_show#undefinclude_sigevent#undefinclude_posix_timer_show#undefinclude_class_show#undefinclude_ftp#undefinclude_sym_shell_cmd#undefinclude_module_shell_cmd#undeffolder_cpu_pwr_mgmt#undefinclude_cpu_pwr_mgmt#undefinclude_cpu_light_pwr_mgr#undefinclude_ipaip#undefinclude_boot_ata_loader(3)使用fpga扩展外部接口；使用fpga扩展外部接口，例如图1所示，fpga实现6路can通讯接口以及10路rs422接口，由于fpga无需操作系统，没有类似vxworks的启动流程，所以使用fpga扩展外部接口，同时完成特定功能的固化，可以免去cpu的在启动中对其接口进行操作，在丰富装置的接口的同时还能节省启动时间。(4)使用块地址转换的方式映射内存；这里，使用块地址转换的方式映射内存，具体判断标准为：判断外设所占地址空间的大小是否超过预设阈值，若是则选用块地址转换的方式即bat方式映射内存，否则可以采用页表式映射。这里优选地，采用freescalempc8377处理器实现块地址转换的方式。块地址转换的方式即bat方式比页表式映射(pagetableentry,pte)优先级更高，映射速度更快。bat方式更适合大块的地址映射，这样有助于减小pte的快表大小，更多的使用bat方式映射能够提升启动速度。norflash和fpga都属于较大内存映射，宜采用bat模式。其示例代码如下：uint32sysbatdesc[2*(_mmu_num_ibat _mmu_num_dbat _mmu_num_extra_ibat _mmu_num_extra_dbat)]＝{/*ibat0*/((flash_base_adrs_mmu_ubat_bepi_mask)|_mmu_ubat_bl_32m|_mmu_ubat_vs|_mmu_ubat_vp),((flash_base_adrs&_mmu_lbat_brpn_mask)|_mmu_lbat_pp_rw|_mmu_lbat_cache_inhibit|_mmu_lbat_guarded),/*ibat1*/((fpga_base_addr&_mmu_ubat_bepi_mask)|_mmu_ubat_bl_8m|_mmu_ubat_vs|_mmu_ubat_vp),((fpga_base_addr&_mmu_lbat_brpn_mask)|_mmu_lbat_pp_rw|_mmu_lbat_cache_inhibit|_mmu_lbat_guarded),……}；页表式映射的内存映射方式，其映射所需的时间与映射的内存成正比，越大的内存映射所需的时间就越长，而使用块映射的方式能大大减少页表映射的快表大小，提升内存映射速度，从而加快启动速度。同时在尽量使用块映射的方法下，对于使用页表映射的方式的内存，在满足装置的前提下减小内存映射大小也能提升内存映射速度，加快启动速度。(5)优化flash读写时序；在系统的启动时间中，内核镜像需要从flash上搬移到内存执行，一个内核镜像一般在2m或者更大，在搬移中消耗了较多时间，主要是从flash读取内核的时间。对于powerpc构架的cpu配置optionregisters(or*)，可以实现对norflash的读写时序控制。在硬件信号允许的状态下，尽可能缩短cpu访问norflash的时序，从而加快cpu对norflash的操作。当norflash的访问变快后，可以缩短vxworks内核镜像从norflash拷贝到内存的时间，从而系统提高启动速度。根据使用的norflash的性能，主要优化配置ehtr提高norflash读写速度，其or*寄存器的定义参照图6。(6)取消内存清零；在vxworks系统启动流程中，当系统完成从norflash向内存搬移的过程后，紧接着会对没有占用的内存空间进行清零。其代码示例如下：localvoidbootclear(void){filllongs((uint*)sys_mem_bottom,((uint)内存_dst_adrs-stack_save-(uint)sys_mem_bottom)/sizeof(long),0)；filllongs((uint*)end,((uint)sys_mem_top-(uint)end)/sizeof(long),0)；……filllongs((uint*)ram_data_adrs,((uint)sys_mem_top–(uint)ram_data_adrs)/sizeof(long),0)；*(boot_line_adrs)＝eos；}内存清零的工作目的是使未占用的内存空间全部赋值为0，去除内存区域不确定数据。应用程序中对内存申请使用时，会对所申请的区域进行赋值，所以在启动过程中，内存清零并不是必须的，针对快速启动的需求，可以将其去除加快了启动速度。参照图7、8，图7为存在内存清零时，内核的搬迁启动流程。图8为取消内存清零后内核的搬迁启动流程。在一个实施例中，结合图1，提供了一种实现vxworks操作系统快速启动的装置，所述装置包括：处理模块，用于执行存放在flash中的vxworks系统程序，实现所述vxworks_rom.bin内核的启动；用于通过与fpga通讯使得装置可通过各种扩展接口与外部机进行数据交换；用于完成fpga和flash的地址向内存空间映射；还用于优化flash读写时序并搬移vxworks_rom.bin内核到内存，跳过内存清零，执行vxworks操作系统剩余操作；fpga扩展模块，用于扩展处理模块的接口，实现装置与外部设备的数据交换；数据存储模块，用于存储vxworks_rom.bin内核程序和实现从0xfff00000跳转到0xffa00000功能的跳转程序，并划分部分空间作为整个装置的用户存储空间；内存模块，用于支撑处理模块搬迁vxworks_rom.bin内核及各种地址映射，支撑cpu完成vxworks系统程序运行；网络模块，用于辅助处理模块实现网络通讯功能。综上，本发明解决了采用freescalempc8377处理器搭载vxworks操作系统启动速度慢的问题，能够使得启动时间由原来的20s缩短为0.9s，使其满足在某些场景下对启动速度的严苛要求，扩展了mpc8377处理器以及vxworks的使用范围。以上所述实施例仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 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技术特征：1.一种实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：
(1)采用vxworks的vxworks_rom.bin内核进行镜像启动；
(2)根据实际功能需求裁剪内核组件；
(3)使用fpga扩展外部接口；
(4)使用块地址转换的方式映射内存；
(5)优化flash读写时序；
(6)取消内存清零。
2.根据权利要求1所述的实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，在所述采用vxworks的vxworks_rom.bin内核进行镜像启动之前，在0xfff00000的地址进行地址跳转，直接跳转到vxworks_rom.bin内核存放位置。
3.根据权利要求1所述的实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，所述使用块地址转换的方式映射内存具体基于freescalempc8377处理器实现。
4.根据权利要求3所述的实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，所述使用块地址转换的方式映射内存，具体判断标准为：判断外设所占地址空间的大小是否超过预设阈值，若是则选用块地址转换的方式即bat方式映射内存，否则可以采用页表式映射。
5.根据权利要求4所述的实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，所述优化flash读写时序，具体为：配置powerpc构架的optionregisters即or*寄存器，实现对norflash的读写时序控制，缩短cpu访问norflash的时序。
6.根据权利要求5所述的实现vxworks操作系统快速启动的方法，其特征在于，所述取消内存清零具体为：在vxworks系统完成从norflash向内存搬移的过程后，跳过内存清零过程，执行vxworks操作系统剩余操作。
7.一种实现vxworks操作系统快速启动的装置，其特征在于，所述装置包括：
处理模块，用于执行存放在flash中的vxworks系统程序，实现所述vxworks_rom.bin内核的启动；用于通过与fpga通讯使得装置可通过各种扩展接口与外部机进行数据交换；用于完成fpga和flash的地址向内存空间映射；还用于优化flash读写时序并搬移vxworks_rom.bin内核到内存，跳过内存清零，执行vxworks操作系统剩余操作；
fpga扩展模块，用于扩展处理模块的接口，实现装置与外部设备的数据交换；
数据存储模块，用于存储vxworks_rom.bin内核程序和实现从0xfff00000跳转到0xffa00000功能的跳转程序，并划分部分空间作为整个装置的用户存储空间；
内存模块，用于支撑处理模块搬迁vxworks_rom.bin内核及各种地址映射，支撑cpu完成vxworks系统程序运行；
网络模块，用于辅助处理模块实现网络通讯功能。
技术总结本发明公开了一种实现VxWorks操作系统快速启动的方法及装置，该装置的启动方法为在处理器上电后执行0xFFF00000位置的程序，并直接跳转到存放在0xffa00000位置的Vxworks_rom.bin的内核镜像。在内核中通过优化FLASH的读写时序，提高内核镜像从FLASH搬移到内存的速度。在内存映射方式上，对FLASH及FPGA采用BAT方式，提升内存映射速度，并跳过空闲内存清零。在内核裁剪上，裁剪非必要组件，已使得内核小型化，轻量化。本发明解决了采用Freescale MPC8377处理器搭载VxWorks操作系统启动速度慢的问题，能够使得启动时间由原来的20S缩短为0.9S，使其满足在某些场景下对启动速度的严苛要求，扩展了MPC8377处理器以及VxWorks的使用范围。
技术研发人员：冯伟;王文俊;赵曰昶;谢文静;张中才;崔凯华;尹加豹;朱涛;王永超
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一六研究所
技术研发日：2020.12.01
技术公布日：2021.03.12
