嵌入式實時操作系統(tǒng)的RAM盤擴展

摘要：介紹了一種在嵌入式實時操作系統(tǒng)內核(以下簡稱實時內核)上實現(xiàn)RAM盤的方法，配合接受用戶命令的Shell任務，可實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的多任務動態(tài)加載和監(jiān)控，擴展了實時內核的應用領域。實時內核采用目前十分流行的免費內核μC/OS-Ⅱ，硬件不臺為通用現(xiàn)場總線控制器系統(tǒng)。

關鍵詞：μC/OS-Ⅱ內核 嵌入式系統(tǒng) 通用現(xiàn)場總線控制器(GPFC) ColdFire

1 嵌入式RTOS

目前，嵌入式RTOS的應用領域越來越廣泛。已經(jīng)有80多個RTOS廠商生產(chǎn)面向8位、16位、32位、甚至64位微處理器的RTOS產(chǎn)品。商業(yè)的實時操作系統(tǒng)如VxWorks,pSOS，VRTX，WindowsCE等功能完善，提供了完備的開發(fā)環(huán)境，但大多價格昂貴，不提供源代碼(即所謂的黑箱)。用戶不了解其工作機制，更不能進行修改和擴展。某些商業(yè)系統(tǒng)還要求用戶在產(chǎn)品投產(chǎn)后繼續(xù)支付軟件費用。這對于國內的用戶開發(fā)中小應用系統(tǒng)來說，是一項沉重的負擔。而采用開放源代碼的實時內核不失為一種選擇。開放源代碼的另一個好處是用戶可以根據(jù)具體需要刪改和擴展功能。本文將以μC/OS-Ⅱ在通用網(wǎng)絡控制器上的應用為例，說明開放源代碼的實時內核在可擴展性方面的優(yōu)點，以及筆者在使用中的一些心得體會。

2 通用現(xiàn)場總線控制器

GPFC(General Purpose Field bus Controller)——通用現(xiàn)場總線控制器是用于加速器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的網(wǎng)絡控制器，由德國國家同步輻射實驗室(DESY)Dr.Clausen Matthias領導的研究小組開發(fā)。用于不同種類的現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)之間的通訊控制，功能相當于不同類型子網(wǎng)之間的網(wǎng)關(關于GPFC的技術細節(jié)，感興趣的讀者可以查詢DESY的主頁http://www.desy.de)。系統(tǒng)微控制器采用Motorola公司68K家庭的32位MCU ColdFire 5206E。在33MHz總線頻率下能達到17MIPS的處理能力。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內部，使得外轉帳電路室得十分簡單。系統(tǒng)配有32MB DRAM和1MB Flash RAM，并有兩個網(wǎng)絡接口A和B。該系統(tǒng)的硬件設計非常靈活，網(wǎng)絡接口配以不同的驅動電路，可支持以太網(wǎng)、CAN、Profibus、MIL1553等多種現(xiàn)場總線，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的連接和控制。只要采用不同的網(wǎng)絡協(xié)議，就可以連接不同的子網(wǎng)，實現(xiàn)不同的控制。GPFC配以不同的網(wǎng)絡模塊可以替代目前廣泛使用的VME工控系統(tǒng)，由于舍棄了VME昂貴的機箱、總線板，大幅度減低了主機成本。GPFC系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

3 在GPFC上運行RTOS

GPFC的系統(tǒng)軟件基于嵌入式實時操作系統(tǒng)，國外是在VxWorks上開發(fā)的，主要是兩個獨立的任務分別處理兩個網(wǎng)絡接口的通訊協(xié)議。為了擴展GPFC的應用范圍，系統(tǒng)軟件包中包含了各種可能用的網(wǎng)絡協(xié)議，都以獨立的任務形式存在。用不上的任務處于休眠狀態(tài)，如果需要連接某種類型的網(wǎng)絡，只要運行針對某種網(wǎng)絡協(xié)議的任務就行了。

VxWorks價格昂貴，在國內買一套要幾十萬元人民幣。為了滿足國內應用要求，筆者希望尋找一種廉價的實時內核，一方面可降低軟件方面的成本，同時可根據(jù)自己折需要定制軟件。經(jīng)過調研，決定采用當前十分流行的μC/OS-Ⅱ作為實時內核。

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務內核，其絕大部分代碼是由C寫成的。目前已經(jīng)應用于包括Motorola 68000系列，以及Intel 80x86等各種處理器上，在世界控制領域取得了一席之地。μC/OS-Ⅱ的可應用領域非常廣闊，涵蓋了幾乎所有的實時應用。μC/OS-Ⅱ是完全免費的，全部源代碼都可以從Internet上獲得。

μC/OS-Ⅱ是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的。如果包含全部的功能模塊(信號量、消息郵箱、消息隊列及相關函數(shù))，編譯后的μC/OS-Ⅱ內核大約有6KB;如果只保留最核心的代碼，則可壓縮到3KB，這使得μC/OS-Ⅱ可以用于更小模塊的應用系統(tǒng)。同時，由于系統(tǒng)的可擴展性，稍加修改可以用于更大模塊的系統(tǒng)上。RAM的占用與系統(tǒng)中的任務數(shù)有關，任務的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套的層數(shù)。對于一般的中小系統(tǒng)，任務堆棧可以取幾百字節(jié)到幾千字節(jié)。對于頻率中斷和高吞吐率的系統(tǒng)，要為任務預留足夠的堆棧空間。本系統(tǒng)中為每個任務分配了512KB的堆棧文憑間，并有堆棧越界檢查。

采用μC/OS-Ⅱ所遇到的主要問題是μC/OS-Ⅱ本身不帶文件系統(tǒng)，缺乏調試工具和手段。為了方便調試和日后的管理操作，基于μC/OS-Ⅱ的開放源代碼和可擴展性，筆者將Linux的RAM盤、文件系統(tǒng)和用戶Shell移植到合并μC/OS-Ⅱ上并編寫了內存管理模塊，實現(xiàn)內存的動態(tài)分配和釋放。系統(tǒng)中運行的任務可以對RAM盤進行文件操作，文件系統(tǒng)可以為任務保存數(shù)據(jù)并提供了統(tǒng)一的接口。通過Shell任務，用戶可以登錄到系統(tǒng)中，運行或者掛起任務，以處理不同的通訊協(xié)議，實現(xiàn)任務的動態(tài)管理。在調試過程中，可以通過命令查看各個任務的運行狀態(tài)。而任務以文件的形式保存在RAM盤中，不同種類的任務保存在不同的目錄中，方便了管理和維護。

4 RAM盤的擴展方法

RAM盤采用了和Linux EXT2系統(tǒng)類似的文件系統(tǒng)。EXT2是一種高效、安全的文件系統(tǒng)。圖2是EXT2的邏輯布局。

它由一個引導塊和重復的塊組組成，每個塊組又由超級塊、組描述符表、塊位圖、索引節(jié)點位圖、索引節(jié)點表、數(shù)據(jù)區(qū)組成。文件以樹型目錄形式組成。不同點在于磁盤文件系統(tǒng)的操作單元是磁盤塊，而RAM盤所操作的單元是內存塊。在筆者為GPFC設計的RAM盤中，將內存最高端的4MB劃分為RAM盤空間，每一個邏輯塊為512字節(jié)。限于篇幅所限，關于EXT2系統(tǒng)的細節(jié)，請感興趣的讀者參考有關Linux文件系統(tǒng)的資源，本文主要介紹如何在RAM盤中實現(xiàn)及主要的數(shù)據(jù)結構。

其中引導塊存系統(tǒng)的引導代碼，由于RAM盤不用來引導系統(tǒng)，所以可不必設定引導塊。超級塊用來存放EXT2文件系統(tǒng)整體信息的數(shù)據(jù)結構，是EXT2的核心所在。超級塊記錄文件系統(tǒng)當前狀態(tài)，盤有多大，能存放多少文件，何處可以找找到空閑和用于文件系統(tǒng)管理的信息。用于管理磁盤的超級塊非常復雜，用于RAM盤則可對其進行簡化，簡化后的ram_super_block結構如下：

struct ram_super_block

{

long s_inodes_count; /*文件系統(tǒng)中節(jié)點總線*/

long s_blocks_count; /*文件系統(tǒng)中的塊總數(shù)*/[!--empirenews.page--]

long s_r_blocks_cout; /*為超級用戶保留的塊數(shù)*/

long s_free_blocks_count; /*文件系統(tǒng)中空閑塊總數(shù)*/

long s_free_inodes_coutnt;/*文件系統(tǒng)中空閑節(jié)點總數(shù)*/

long s_first_data_block; /*文件系統(tǒng)中的第一個數(shù)據(jù)塊*/

long s_log_block_size; /*系統(tǒng)邏輯塊的大小*/

short s_inode_size; /*索引節(jié)點結構的大小*/

short s_state;/*文件系統(tǒng)的狀態(tài)*/

time_t s_wtime;/*超級塊最后一次修改的時間*/

}

在文件系統(tǒng)中每一個文件(包含目錄)占據(jù)一個索引節(jié)點表項。索引節(jié)點是一個記錄文件信息的數(shù)據(jù)結構dinode。訪問文件，其它就是尋找文件對應的索引節(jié)點。索引節(jié)點集中保存在索引節(jié)點表中，索引節(jié)點表的第一頂固定為根目錄對應的索引節(jié)點。用于管理RAM盤文件的dinode定義如下：

struct Dinode{

short di_node; /*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; /*和文件相關的鏈接數(shù)*/

short di_uid; /*文件所有者的標示*/

short di_gid; /*文件所有者的組標示*/

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間*/

time_t di_mtime; /*文件最后一次修改的時間*/

time_t di_ctime; /*文件建立的時間*/

}

塊位圖、索引節(jié)點位圖用于查找空閑的RAM盤內存塊和索引節(jié)點表現(xiàn)。

與文件訪問過程相關的一個主要函數(shù)為i_name(),其輸入?yún)?shù)為希望訪問的文件路徑名，輸出值為文件對應的索引節(jié)點號。獲得了文件的索引節(jié)點號，就可以在索引節(jié)點表中找到該節(jié)點，從節(jié)點的數(shù)據(jù)結構中就可以知道文件的種類、存儲位置等信息，進一步就可以讀寫操作。

RAM盤屬于Linux標準設備中的塊設備。作為標準設備，Linux提供了通用的接口函數(shù)。用戶可以直接調用標準接口函數(shù)對RAM盤進行操作：

#include

#include

#include

#include

int open(const char pathname,int flag); /*打開文件，返回文件描述符*/

int close(int fd); /*關閉文件*/

int read(int fd,void buf,int count); /*從文件中讀出數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，返回讀出的字節(jié)數(shù)*/

int write(int fd,void buf,int count);/*從緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)到文件，返回寫入字節(jié)數(shù)*/

5 用戶Shell的擴展與實現(xiàn)

用戶Shell是一個在μC/OS-Ⅱ下獨立運行的任務。Shell啟動后，完成一些必要的初始化操作，進入掛起狀態(tài)，等待用戶登錄和輸入。用戶從終端上輸入命令后將喚醒Shell，在筆者設計的Shell程序中可接受的命令包括：cd(改變RAM盤當前目錄)，pwd(顯示RAM盤當前目錄)，mkdir、rmdir(在RAM盤創(chuàng)立或刪除目錄)，ps(顯示當前系統(tǒng)中任務狀態(tài))，kill(終止一一個任務的運行)。處理不同通訊協(xié)議的任務分別以可執(zhí)行文件形式保存在RAM盤上不同的目錄中。如果在Shell中鍵入任務的名稱，Shell會在當前目錄下查找是否有匹配的可執(zhí)行文件。如果有，則調用μC/OS-Ⅱ中的系統(tǒng)函數(shù)OSTaskCreate創(chuàng)立一個新的任務，否則返回錯誤信息。也可以使用kill命令，調用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskDel終止一個任務的運行。在程序的調試期間，可以使用ps命令查看任務運行狀態(tài)。

由于μC/OS-Ⅱ的內存管理功能有限，OSTaskCreate函數(shù)不能動態(tài)分配堆棧空間，OSTaskDel也不能釋放任務的堆?？臻g。為此，筆者重新編寫了內存管理模塊，采用頁方式和首次擬合算法實現(xiàn)內存的動態(tài)管理。每一內存頁為2KB，系統(tǒng)的內存資源由一個雙向鏈表進行管理。任務函數(shù)可調用OSMemAlloc()t OSMemFree()分配釋放自己所占的內存空間。OSMemAlloc()在空閑內存鏈表中查詢每一個符合要求的內存塊，并分配給任務。而 OSMemFree()則是將釋放后的內存塊重新添加進空閑內存鏈表中。

在開發(fā)過程中，筆者感覺到采用開放源代碼的實時內核的最大優(yōu)點是可擴展性和可裁剪性，可以根據(jù)需要定制出最精練的內核結構。μC/OS-Ⅱ的本意是為中小型嵌入式系統(tǒng)設計的，對于不需要的部分，可以刪改;當內核缺乏某些功能，設計得很容易自行設計和添加，從而可以應用在更大型的系統(tǒng)上。其性能可以同昂跺的商業(yè)實時操作系統(tǒng)的相媲美，而這種改動和擴展并不難。這正是開放源代碼軟件的生命力所在。