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(pán)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(lái)，隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前市場(chǎng)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(kāi)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(duì)特定的硬件平臺(tái)。對(duì)于國(guó)內(nèi)中小型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，購(gòu)買(mǎi)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(kāi)放代碼不失為一種選擇。目前源碼開(kāi)放（C代碼）的嵌入式系統(tǒng)有μC/OS的uCLinux。μC/OS簡(jiǎn)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(duì)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(duì)商用嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)還是過(guò)于簡(jiǎn)單，而且存在開(kāi)發(fā)調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題。UCLinux是免費(fèi)軟件運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(tái)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(méi)有必要也十分困難，但uCLinux的代碼經(jīng)過(guò)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(tái)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(duì)μC/OS調(diào)試?yán)щy的問(wèn)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(kāi)發(fā)。

二、 硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用GPFC（General Purpose Fieldbus Controller）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由德國(guó)漢堡國(guó)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(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(tái)。在應(yīng)用中切實(shí)感到了開(kāi)放源代碼的無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)。首先是可以根據(jù)自己的需要對(duì)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(xiě)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(hào)量有關(guān)的函數(shù)在執(zhí)行前都會(huì)檢查一下傳遞給函數(shù)的指針是不是一個(gè)有效的信號(hào)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(xiě)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(duì)系統(tǒng)有源碼級(jí)的了解，可以添加自己編寫(xiě)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(pán)、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(pán)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(shù)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(pán)。UCLinux的文件系統(tǒng)由邏輯塊組成，如果是磁盤(pán)文件系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)為磁盤(pán)塊；RAM盤(pán)則對(duì)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(pán)劃分成幾個(gè)部分：引導(dǎo)塊、超級(jí)塊、索引節(jié)點(diǎn)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。

引導(dǎo)塊在文件系統(tǒng)的開(kāi)頭，通常為一個(gè)邏輯塊、存放引導(dǎo)程序，用于啟動(dòng)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(pán)引導(dǎo)，所以不分配引導(dǎo)塊。超級(jí)塊記錄文件系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，盤(pán)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(jí)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(xiě)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(hào)*/

time-t di-atime;

/*文件最后一次訪問(wèn)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(hào)。本例中RAM盤(pán)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(hào)要用兩個(gè)字節(jié)表示。為了記錄足夠長(zhǎng)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(qǐng)讀者參考Linux的相關(guān)文檔。分析索引節(jié)點(diǎn)可知，通過(guò)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(hào)。如果要訪問(wèn)某個(gè)文件，只要找到該文件對(duì)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(wèn)需要通過(guò)fread()或fwrite()函數(shù)，其細(xì)節(jié)不再?gòu)?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(kāi)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(kāi)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(jí)。Shell啟動(dòng)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(cè)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(jí)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(dòng)態(tài)分配堆?？臻g，OSTaskDel也能釋放任務(wù)的堆?？臻g。為了實(shí)現(xiàn)Shell的加載和刪除任務(wù)的功能，筆者對(duì)上述兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行了改寫(xiě)，添加了內(nèi)存管理函數(shù)malloc（）和mfree()。為了簡(jiǎn)間起見(jiàn)，以8k為單位申請(qǐng)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(dòng)的任務(wù)采用相同大小的堆棧。

通過(guò)用戶Shell,單獨(dú)的任務(wù)可以保存在RAM盤(pán)上，通過(guò)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(kāi)發(fā)和調(diào)試手段。

六、 結(jié)語(yǔ)

μC/OS的出現(xiàn)和應(yīng)用也只是近年來(lái)的事，其迅猛的發(fā)展證明了開(kāi)放源碼軟件的巨大生命力。相信經(jīng)過(guò)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(huì)更加廣闊。