μC/OS的應(yīng)用和擴(kuò)展

摘要：本文介紹了μC/OS在ColdFire為核心系統(tǒng)上的具體應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上做了擴(kuò)展，在μC/OS的核心上實(shí)現(xiàn)了RAM盤和文件系統(tǒng)。為了方便應(yīng)用和調(diào)試，還實(shí)現(xiàn)了用戶Shell程序，可以接受并執(zhí)行用戶命令，擴(kuò)展并豐富了μC/OS的功能。

關(guān)鍵詞：μC/OS μCLinux 嵌入式系統(tǒng) ColdFire

一、 概述

近年來，隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應(yīng)用越來越廣泛。目前市場上的大型商用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如VERTEX，VXWORK，PSOS等等，已經(jīng)十分成熟，并為用戶提供了強(qiáng)有力的開發(fā)和調(diào)試工具。但商用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且都針對特定的硬件平臺。對于國內(nèi)中小型系統(tǒng)的開發(fā)，購買商用實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不劃算。此時(shí)，采用免費(fèi)軟件和開放代碼不失為一種選擇。目前源碼開放(C代碼)的嵌入式系統(tǒng)有μC/OS的uCLinux。μC/OS簡單易學(xué)，提供了嵌入式系統(tǒng)的基本功能，其核心代碼短小精悍，如果針對硬件進(jìn)行優(yōu)化，還可以獲得更高的執(zhí)行效率。但是μC/OS相對商用嵌入式系統(tǒng)來說還是過于簡單，而且存在開發(fā)調(diào)試?yán)щy的問題。UCLinux是免費(fèi)軟件運(yùn)動的產(chǎn)物，包含豐富的功能，包括文件系統(tǒng)、各種外調(diào)驅(qū)動程序、通訊模塊、TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB服務(wù)器的代碼。在INTERNET上流傳的uCLinux已經(jīng)被移植到當(dāng)前幾乎所有的硬件平臺上，功能與PC機(jī)上運(yùn)行的Linux不相上下，其代碼也十分復(fù)雜。完全移植沒有必要也十分困難，但uCLinux的代碼經(jīng)過世界范圍內(nèi)的優(yōu)化，穩(wěn)定可靠而且高效，所有模塊的代碼都可以從INTERNET上獲得，可以進(jìn)行模塊移植。在本例應(yīng)用中，筆者在ColdFire硬件平臺上運(yùn)行了μC/OS的核心，并實(shí)現(xiàn)了uCLinux的文件系統(tǒng)，使得在嵌入式應(yīng)用中可以進(jìn)行文件操作。同時(shí)針對μC/OS調(diào)試?yán)щy的問題。還移植了 uCLinux的用戶Shell，使得用戶可以用命令行方式進(jìn)行程序的調(diào)試和開發(fā)。

二、 硬件平臺

本系統(tǒng)的硬件平臺采用GPFC(General Purpose Fieldbus Controller)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由德國漢堡國家同步輻射實(shí)驗(yàn)實(shí)(DESY)Dr.Matthias Clausen領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)，采用Motorola公司的ColdFire MCF5206處理器為核心。ColdFire MCF5206處理器屬于Motorola 32位MCU家族，在源碼上與68K系列兼容。全靜態(tài)設(shè)計(jì)，在33MHz的工作頻率下可達(dá)最大17MIPS的處理能力。除了具有68K系統(tǒng)的通用功能模塊外，片內(nèi)還帶有DRAM控制模塊，可以直接外接DRAM芯片。由于ColdFire將片選邏輯電路、總線控制器、DRAM控制模塊等全部集成在MCU內(nèi)部，使得外圍電路變得十分簡單。

在筆者所用的GPFC系統(tǒng)中，ColdFire工作在32MHz，外圍電路包括兩片DEAM芯片，共計(jì)4M的RAM，一片128K的FLASH，用于存放引導(dǎo)程序。其余為I/O電路。系統(tǒng)通過RS-232串口與PC機(jī)相連。

三、 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件采用μC/OS為嵌入式平臺。在應(yīng)用中切實(shí)感到了開放源代碼的無可替代的優(yōu)點(diǎn)。首先是可以根據(jù)自己的需要對源代碼進(jìn)行取舍，去掉不需要的變量和不使用的函數(shù)，甚至可以根據(jù)需要改寫相關(guān)函數(shù)。在μC/OS的源代碼中，函數(shù)執(zhí)行中有許多條件判斷，作用是防止參數(shù)的錯(cuò)誤傳遞。例如，與信號量有關(guān)的函數(shù)在執(zhí)行前都會檢查一下傳遞給函數(shù)的指針是不是一個(gè)有效的信號量指針。作為通用系統(tǒng)，這些條件判斷是完全必要的，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)崩潰。但作為具體的應(yīng)用，只要在程序設(shè)計(jì)時(shí)保證參數(shù)傳遞的正確性，完全可以不用條件判斷，就能提高函數(shù)的執(zhí)行速度，尤其一些頻繁調(diào)用的函數(shù)，或當(dāng)MCU速率不高的時(shí)候，重寫部分函數(shù)往往可以顯著提高系統(tǒng)性能。另外，由于用戶對系統(tǒng)有源碼級的了解，可以添加自己編寫的模塊，與原系統(tǒng)兼容，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。

正是由于μC/OS的可擴(kuò)展性，筆者將uCLinux的RAM盤、文件系統(tǒng)和用戶Shell移植到了μC/OS上，在用戶程序中可以進(jìn)行文件操作，文件系統(tǒng)可以為任務(wù)保存數(shù)據(jù)，并提供了統(tǒng)一的接口函數(shù)。用戶編制的單個(gè)任務(wù)也可以保存在RAM盤上，可以在終端上用命令方式執(zhí)行運(yùn)行、監(jiān)控、刪除任務(wù)。

四、 文件系統(tǒng)

uCLinux的文件系統(tǒng)與Linux的基本相同，文件以樹型目錄組織。由于篇幅所限，關(guān)于文件系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，讀者可參考Linux和Unix的相關(guān)資料，本例中將RAM中高端的1M分配給文件系統(tǒng)，建立了容量為1M的RAM盤。 UCLinux的文件系統(tǒng)由邏輯塊組成，如果是磁盤文件系統(tǒng)，對應(yīng)為磁盤塊;RAM盤則對應(yīng)為內(nèi)存塊，每個(gè)塊為512字節(jié)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的邏輯盤劃分成幾個(gè)部分：引導(dǎo)塊、超級塊、索引節(jié)點(diǎn)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。

引導(dǎo)塊超級塊索引節(jié)點(diǎn)區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)

引導(dǎo)塊在文件系統(tǒng)的開頭，通常為一個(gè)邏輯塊、存放引導(dǎo)程序，用于啟動和引導(dǎo)操作系統(tǒng)。在我們的RAM文件系統(tǒng)中由于不需要RAM盤引導(dǎo)，所以不分配引導(dǎo)塊。超級塊記錄文件系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，盤有多大，能存放多少文件，何處可以找到空閑空間和用于文件系統(tǒng)管理的信息。索引節(jié)點(diǎn)區(qū)緊接在超級塊后面，存放文件系統(tǒng)的索引節(jié)點(diǎn)表。在文件系統(tǒng)中每一個(gè)文件(包含目錄)占據(jù)一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)。索引節(jié)點(diǎn)是一個(gè)記錄文件信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct dinode{

short di-mode;

/*文件模式：是文件還是目錄，是可讀、可寫還是可執(zhí)行*/

short di-nlink;

/*和文件相關(guān)的鏈接數(shù)*/

short di-uid;

/*文件所有者的標(biāo)示*/

short di-gid;

/*文件所有者的組標(biāo)示*/

long di-size; /*文件大小*/

char di-addr[ ];

/*文件數(shù)據(jù)所在的邏輯塊編號*/

time-t di-atime;

/*文件最后一次訪問的時(shí)間*/

time-t di-mtime;

/*文件最后一次修改的時(shí)間*/

time-t di-ctime;

/*文件建立的時(shí)間*/

}

其中的數(shù)組di-addr[ ]記錄文件數(shù)據(jù)所在的邏輯塊號。本例中RAM盤為1M，每個(gè)邏輯塊512字節(jié)，共2048個(gè)邏輯塊，所以每個(gè)邏輯塊的編號要用兩個(gè)字節(jié)表示。為了記錄足夠長的文件，di-addr[ ]中邏輯塊可分為直接塊和間接塊。關(guān)于直接塊和間接塊的概念，請讀者參考Linux的相關(guān)文檔。分析索引節(jié)點(diǎn)可知，通過索引節(jié)點(diǎn)就可以完全確定一個(gè)文件。索引節(jié)點(diǎn)表中的第一項(xiàng)就是根目錄。索引節(jié)點(diǎn)區(qū)的大小決定了文件系統(tǒng)中最多能有多少個(gè)文件(包括目錄)。在本例中，筆者設(shè)定為128項(xiàng)。在索引節(jié)點(diǎn)區(qū)后就是數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)以邏輯塊為單位按次序編號。如果要訪問某個(gè)文件，只要找到該文件對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，從di-addr[ ]項(xiàng)中就可以查出文件數(shù)據(jù)所在的邏輯塊。文件的訪問需要通過fread()或fwrite()函數(shù)，其細(xì)節(jié)不再復(fù)述。

添加了文件系統(tǒng)后，任務(wù)的運(yùn)行將和文件相關(guān)，所以TCB(任務(wù)控制塊)要做相應(yīng)的修改。需要添加任務(wù)所在目錄項(xiàng)和任務(wù)打開文件項(xiàng)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)調(diào)用OSTaskCreate創(chuàng)立新的任務(wù)的時(shí)候，子任務(wù)應(yīng)該繼承先前任務(wù)的目錄項(xiàng)和任務(wù)打開文件項(xiàng)。

五、 用戶Shell

用戶Shell實(shí)際上是一個(gè)在μC/OS下獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)，處于最低的優(yōu)先級。 Shell啟動后，進(jìn)入睡眼狀態(tài)，等待用戶輸入。用戶從終端上輸入命令后將喚醒Shell，Shell首先檢測輸入命令是不是內(nèi)部命令，如果不是，則在 TCB中查詢當(dāng)前所在文件目錄，然后在目錄中查詢是否有與輸入匹配的文件，如果有且文件屬性為可執(zhí)行時(shí)，則調(diào)用OSTaskCreate創(chuàng)立一個(gè)新的任務(wù)。由于Shell優(yōu)先級為最低，新創(chuàng)建的任務(wù)將馬上運(yùn)行。新任務(wù)執(zhí)行完后可以用OSTaskDel刪除自己。如果在當(dāng)前目錄中找不到匹配項(xiàng)，則返回錯(cuò)誤信息。

在本例中，Shell中包含的內(nèi)部命令為cd(改變當(dāng)前目錄)，pwd(顯示當(dāng)前工作目錄)，mkdir,rmdir(創(chuàng)立刪除目錄)，ps(顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的任務(wù))，kill(刪除任務(wù))。

由于μC/OS中的OSTaskCreate不能動態(tài)分配堆?？臻g，OSTaskDel也能釋放任務(wù)的堆棧空間。為了實(shí)現(xiàn)Shell的加載和刪除任務(wù)的功能，筆者對上述兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行了改寫，添加了內(nèi)存管理函數(shù) malloc()和mfree()。為了簡間起見，以8k為單位申請和釋放內(nèi)存塊。系統(tǒng)的內(nèi)存資源由一個(gè)雙向鏈表進(jìn)行管理。在OSTaskCreate中調(diào)用malloc()，參數(shù)為希望分配的內(nèi)存塊數(shù)，malloc()將檢索內(nèi)存管理的雙向鏈表，返回空閑塊地址。而OSTaskDel中將調(diào)用 mfree()釋放內(nèi)存，重新加入雙向鏈表。為了避免內(nèi)存空洞，在Shell中啟動的任務(wù)采用相同大小的堆棧。

通過用戶Shell,單獨(dú)的任務(wù)可以保存在RAM盤上，通過命令方式運(yùn)行、監(jiān)控，查看任務(wù)狀態(tài)、刪除任務(wù)，作為一種有力的開發(fā)和調(diào)試手段。

六、 結(jié)語

μC/OS的出現(xiàn)和應(yīng)用也只是近年來的事，其迅猛的發(fā)展證明了開放源碼軟件的巨大生命力。相信經(jīng)過廣大用戶的不斷豐富和完善，μC/OS的功能將日趨成熟，應(yīng)用也會更加廣闊。