μC/OS-II在DSP Flash存儲器中運行的問題

 引言

本文主要針對課題遇到的問題，重點闡述μC/OS-Ⅱ在芯片內(nèi)FLASH存儲器運行時關(guān)鍵問題的分析與解決辦法。在作為國家863計劃子項目挖掘機智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)中，出現(xiàn)了智能化挖掘機軌跡控制系統(tǒng)不按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡運行和嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ調(diào)度紊亂等失控問題。該智能化系統(tǒng)中采用了μC/OS-Ⅱ，通過位移傳感器實時采集挖掘機的鏟斗、斗桿和動臂等3路角度信號，通過算法規(guī)劃路徑驅(qū)動液壓比例閥實現(xiàn)平行推進(jìn)、鏟斗挖掘等典型作業(yè)。 本課題已經(jīng)通過國家863計劃專家組的驗收，該智能化挖掘機軌跡控制系統(tǒng)已經(jīng)交付柳工使用。

1μC/OS-Ⅱ在FLASH存儲器中的運行

1.1 μC/OS-Ⅱ的特點與功能

μC/OS-Ⅱ是一個實時多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用可剝奪型內(nèi)核。所有的任務(wù)都有優(yōu)先級，多任務(wù)之間優(yōu)先級高的可以中斷執(zhí)行中的低優(yōu)先級任務(wù)而優(yōu)先執(zhí)行。

它的特點主要有：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等。μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。

1.2關(guān)鍵問題

在完成了智能控制軟件后，就是將之嵌入到μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)中。遇到的主要問題是移植好的μC/OS-Ⅱ源代碼在聞亭的目標(biāo)板上在線仿真時，把.out文件下載到RAM中能正常執(zhí)行，但是用CCS燒寫到FLASH存儲器中就不能正常執(zhí)行，出現(xiàn)智能化挖掘機軌跡控制系統(tǒng)不按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡運行和μC/OS-Ⅱ?qū)崟r多任務(wù)調(diào)度紊亂等失控問題，尤其是在課題的后期驗收階段問題尤為棘手。

1.3原因分析

程序固化的關(guān)鍵問題是如何在程序存儲器中分配存儲空間給常量和用coNSt關(guān)鍵字定義的靜態(tài)、全局變量。經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)與TI的C編譯器功能有關(guān)。CCS的編譯器按照標(biāo)準(zhǔn)C，沒有對FLASH ROM中常數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接訪問的功能。所以必須讓cONST段的常量數(shù)據(jù)在RAM中。

實現(xiàn)這一條件的方法有3種：

a)方法1：解決μC/OS-Ⅱ在FLASH中運行的方法，采用去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，并且需要在.cmd文件中將.cinit段分配到程序區(qū)FLASH存儲空間，然后在編譯器的編譯選項中選中“-C”，即ROM初始化(C編譯器默認(rèn)就是這樣的)。

b)方法2：不對定義作修改，.const段保存在FLASH存儲器中，數(shù)據(jù)不向數(shù)據(jù)存儲器移動，程序運行時直接在程序存儲空間中訪問這些量。由于c語言缺乏訪問程序區(qū)數(shù)據(jù)的有效手段，因此這些語句只能使用匯編語言編寫。由于在每一處訪問這些常量時都必須使用這些語句，因此這樣編寫程序改動量較大。

c)方法3：不需要修改常量定義，也不必編寫專門的程序，主要的工作是修改.cmd文件并對工程中使用的庫文件作簡單的修改，修改工作量小而且集中，極大地方便了程序的編寫。較之前兩種方法，這種方法運用起來要方便得多。

2關(guān)鍵問題的解決與實現(xiàn)

以下分別介紹方法1和方法3的具體實現(xiàn)。

2.1方法1

解決μC/OS-Ⅱ在FLASH存儲器中運行的方法，即去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，以μC/OS-Ⅱ的更改為例：

2.1.1問題的發(fā)現(xiàn)

μC/OS-Ⅱ的程序燒寫到FLASH中的問題，剛開始懷疑是分配存儲器的cmd文件有問題，然后相關(guān)的又想到程序的大小問題，特別是在咨詢聞亭的技術(shù)人員告知大于1 kB的程序要分開燒后，甚至懷疑聞亭的仿真器和開發(fā)板。后來實驗使用合眾達(dá)的板子是同樣的效果，并且發(fā)現(xiàn)不帶μC/OS的大小程序都能正常執(zhí)行，基本排除了程序大小的問題以及硬件問題。后來通過對μC/OS系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度前加LED函數(shù)，發(fā)現(xiàn)：直到多任務(wù)調(diào)度前都能正常執(zhí)行，開始多任務(wù)調(diào)度后就出了問題。到這里確定問題出在μC/OS-Ⅱ上，但是μC/OS-Ⅱ的移植是其他人員做的，其他本身沒有做過嚴(yán)格測試，也沒有燒到FLASH存儲器中運行過，對整個課題產(chǎn)生致命的影響。最后課題組分析了程序在FLASH存儲器中運行與在RAM中運行的本質(zhì)區(qū)別，提出一個重要的建議：可能有系統(tǒng)需要的常量定義在擴展RAM區(qū)了，當(dāng)?shù)綦姾?，RAM區(qū)的內(nèi)容沒有了，常量也就沒有了，影響了系統(tǒng)的運行。

通過查看工程的cmd文件和編譯輸出的map文件，發(fā)現(xiàn)確實有系統(tǒng)內(nèi)核的常量放在8000h以后的擴展RAM區(qū)。見下面map文件引用：

然后在OS_CORE.C中找到了常量的位置，分別是掩碼表：INT8U const OSMapTbl[]和任務(wù)優(yōu)先級判定表：INT8U const OSUnMapTbl[]

通過實驗發(fā)現(xiàn)，燒寫程序到FLASH存儲器中之后，如果不關(guān)電源，而直接拔掉USB，從FLASH存儲器引導(dǎo)，復(fù)位后程序能正常執(zhí)行，但是關(guān)電后就不能了。經(jīng)查看，F(xiàn)LASH存儲器燒寫過程是先將程序裝載到RAM，再搬移到FLASH存儲器中，所以不掉電所有程序都在RAM中有保留，但是程序確能從FLASH存儲器引導(dǎo)。這樣，就確定了確實是這些常量放在RAM中引起的。但是并不像開始想象的那樣，把常量直接定義在FLASH存儲器區(qū)就能解決，但可以通過程序賦值來初始化這些常量，而不通過編譯來初始化，這是一個不一定最好但很有效的辦法。

2.1.2修改方法

按照上面的思路，對μC/OS作了如下3處修改：

a)OS_CORE.C文件中上面兩個數(shù)組的上面的初始化定義改為下面兩個初始化函數(shù)：

b)對μC/OS-Ⅱ.H函數(shù)進(jìn)行修改：將外部變量弓用的定義

c)在主程序的main()函數(shù)中的多任務(wù)調(diào)度函數(shù)執(zhí)行前調(diào)用前面的兩個初始化函數(shù)，如下：[!--empirenews.page--]

此方法用一句話總結(jié)，就是將常量定義成變量，以賦值語句的方式初始化到RAM中。

2.2方法3：修改數(shù)據(jù)段的定位方式和庫函數(shù)

這種方式除了要修改.const段的裝載地址和運行地址外，還要對CCS自帶的初始化函數(shù)進(jìn)行修改。但是這種方法是一勞永逸的。

對.const段的修改如下：

即采用了裝載地址與運行地址分離的方式，將.const載入ROM段，而運行時在RAM區(qū)。為了使程序正常運行，在初始化時，需要將.const段的內(nèi)容從裝載地址拷貝到運行地址內(nèi)。這段程序可以在編譯時由編譯器自動生成。這還需要對軟件所使用的庫文件作簡單的修改。該庫名稱即是rts.lib(表示不同類型的DSP，有2xx、25、50等)。修改該庫的方法是將源文件從庫中提取出來進(jìn)行修改，編譯后再替代原有的文件。具體操作如下：

a)將庫函數(shù)rts2xx.lib、源文件rts.src、兩個工具函數(shù)dspar.exe和dspa.exe找到，放在同意個目錄下，打開ms_dos命令窗。

b)執(zhí)行DOS命令：

這句的功能是從rts.src文件中提取出boot.asm文件。這個rts.src即是rts.lib的源文件。在boot.asm文件中能找到CONST_COPY這個標(biāo)志量，為了實現(xiàn)所需要的功能，它應(yīng)被賦值為1。對boot.asm文件的編輯完成之后，就可以將其編譯生成目標(biāo)文件，執(zhí)行語句：

其中對于不同的DSP需要使用不同的參數(shù)，對于240xA來說，應(yīng)該使用2xx來代替“”。語句執(zhí)行完后會生成boot.obj文件。再執(zhí)行語句：

這時它就替換了庫里的同名文件。在編譯時編譯器就會自動增加拷貝.const段到數(shù)據(jù)空間的語句。這種方法不必修改程序，代價是犧牲了一定的數(shù)據(jù)存儲空間，時間開銷主要出現(xiàn)在初始化中。這應(yīng)該是最經(jīng)濟實用的方法。

3結(jié)束語

對常量處理的3種方法中，第方法1和方法3相對較容易實現(xiàn)。其中方法1對于自己編寫的少量代碼修改起來比較方便，但是如果碰到庫函數(shù)中用到.const的情況，就需要像第方法3一樣提取庫函數(shù)中的代碼，來修改這個庫函數(shù)，在挖掘機軌跡控制程序中用到atan函數(shù)就是這種情況。這種做法對每個這樣的函數(shù)都要執(zhí)行同樣的操作，顯然不是最佳解決辦法。

方法3雖然必須修改cmd文件和庫文件，但是它是一勞永逸的。生成相應(yīng)的庫函數(shù)和cmd文件以后，對任何帶有const的代碼都不再需要做任何修改。所以這種方法也是TI推薦的方法，在TI的數(shù)據(jù)手冊TMS320C2x/C2xx/C5x Optimizing C Compiler User’sGuide(SPRU024E)中有對它的說明。