嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的RAM盤擴(kuò)展

摘要：介紹了一種在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（以下簡稱實(shí)時(shí)內(nèi)核）上實(shí)現(xiàn)RAM盤的方法，配合接受用戶命令的Shell任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)動態(tài)加載和監(jiān)控，擴(kuò)展了實(shí)時(shí)內(nèi)核的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)時(shí)內(nèi)核采用目前十分流行的免費(fèi)內(nèi)核μC/OS-Ⅱ，硬件不臺為通用現(xiàn)場總線控制器系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：μC/OS-Ⅱ內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。已經(jīng)有80多個(gè)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(shí)時(shí)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(jià)格昂貴，不提供源代碼（即所謂的黑箱）。用戶不了解其工作機(jī)制，更不能進(jìn)行修改和擴(kuò)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(fèi)用。這對于國內(nèi)的用戶開發(fā)中小應(yīng)用系統(tǒng)來說，是一項(xiàng)沉重的負(fù)擔(dān)。而采用開放源代碼的實(shí)時(shí)內(nèi)核不失為一種選擇。開放源代碼的另一個(gè)好處是用戶可以根據(jù)具體需要?jiǎng)h改和擴(kuò)展功能。本文將以μC/OS-Ⅱ在通用網(wǎng)絡(luò)控制器上的應(yīng)用為例，說明開放源代碼的實(shí)時(shí)內(nèi)核在可擴(kuò)展性方面的優(yōu)點(diǎn)，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(luò)控制器，由德國國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（DESY）Dr.Clausen Matthias領(lǐng)導(dǎo)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(dāng)于不同類型子網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)（關(guān)于GPFC的技術(shù)細(xì)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(dá)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(nèi)部，使得外轉(zhuǎn)帳電路室得十分簡單。系統(tǒng)配有32MB DRAM和1MB Flash RAM，并有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口A和B。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常靈活，網(wǎng)絡(luò)接口配以不同的驅(qū)動電路，可支持以太網(wǎng)、CAN、Profibus、MIL1553等多種現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的連接和控制。只要采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可以連接不同的子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同的控制。GPFC配以不同的網(wǎng)絡(luò)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(jī)箱、總線板，大幅度減低了主機(jī)成本。GPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

3 在GPFC上運(yùn)行RTOS

GPFC的系統(tǒng)軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，國外是在VxWorks上開發(fā)的，主要是兩個(gè)獨(dú)立的任務(wù)分別處理兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的通訊協(xié)議。為了擴(kuò)展GPFC的應(yīng)用范圍，系統(tǒng)軟件包中包含了各種可能用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都以獨(dú)立的任務(wù)形式存在。用不上的任務(wù)處于休眠狀態(tài)，如果需要連接某種類型的網(wǎng)絡(luò)，只要運(yùn)行針對某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的任務(wù)就行了。

VxWorks價(jià)格昂貴，在國內(nèi)買一套要幾十萬元人民幣。為了滿足國內(nèi)應(yīng)用要求，筆者希望尋找一種廉價(jià)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，一方面可降低軟件方面的成本，同時(shí)可根據(jù)自己折需要定制軟件。經(jīng)過調(diào)研，決定采用當(dāng)前十分流行的μC/OS-Ⅱ作為實(shí)時(shí)內(nèi)核。

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，其絕大部分代碼是由C寫成的。目前已經(jīng)應(yīng)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(lǐng)域取得了一席之地。μC/OS-Ⅱ的可應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，涵蓋了幾乎所有的實(shí)時(shí)應(yīng)用。μC/OS-Ⅱ是完全免費(fèi)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(duì)列及相關(guān)函數(shù)），編譯后的μC/OS-Ⅱ內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，由于系統(tǒng)的可擴(kuò)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(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)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(wù)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(wù)預(yù)留足夠的堆?？臻g。本系統(tǒng)中為每個(gè)任務(wù)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(diào)試工具和手段。為了方便調(diào)試和日后的管理操作，基于μC/OS-Ⅱ的開放源代碼和可擴(kuò)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(nèi)存管理模塊，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)分配和釋放。系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)可以對RAM盤進(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。通過Shell任務(wù)，用戶可以登錄到系統(tǒng)中，運(yùn)行或者掛起任務(wù)，以處理不同的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的動態(tài)管理。在調(diào)試過程中，可以通過命令查看各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。而任務(wù)以文件的形式保存在RAM盤中，不同種類的任務(wù)保存在不同的目錄中，方便了管理和維護(hù)。

4 RAM盤的擴(kuò)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(gè)引導(dǎo)塊和重復(fù)的塊組組成，每個(gè)塊組又由超級塊、組描述符表、塊位圖、索引節(jié)點(diǎn)位圖、索引節(jié)點(diǎn)表、數(shù)據(jù)區(qū)組成。文件以樹型目錄形式組成。不同點(diǎn)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(nèi)存塊。在筆者為GPFC設(shè)計(jì)的RAM盤中，將內(nèi)存最高端的4MB劃分為RAM盤空間，每一個(gè)邏輯塊為512字節(jié)。限于篇幅所限，關(guān)于EXT2系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，請感興趣的讀者參考有關(guān)Linux文件系統(tǒng)的資源，本文主要介紹如何在RAM盤中實(shí)現(xiàn)及主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其中引導(dǎo)塊存系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼，由于RAM盤不用來引導(dǎo)系統(tǒng)，所以可不必設(shè)定引導(dǎo)塊。超級塊用來存放EXT2文件系統(tǒng)整體信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是EXT2的核心所在。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(fù)雜，用于RAM盤則可對其進(jìn)行簡化，簡化后的ram_super_block結(jié)構(gòu)如下：

struct ram_super_block

{

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

long s_blocks_count; /*文件系統(tǒng)中的塊總數(shù)*/

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(diǎn)總數(shù)*/

long s_first_data_block; /*文件系統(tǒng)中的第一個(gè)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(diǎn)結(jié)構(gòu)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(shí)間*/

}

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)dinode。訪問文件，其它就是尋找文件對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)。索引節(jié)點(diǎn)集中保存在索引節(jié)點(diǎn)表中，索引節(jié)點(diǎn)表的第一頂固定為根目錄對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)。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(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*/

}

塊位圖、索引節(jié)點(diǎn)位圖用于查找空閑的RAM盤內(nèi)存塊和索引節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)。

與文件訪問過程相關(guān)的一個(gè)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(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)號。獲得了文件的索引節(jié)點(diǎn)號，就可以在索引節(jié)點(diǎn)表中找到該節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中就可以知道文件的種類、存儲位置等信息，進(jìn)一步就可以讀寫操作。

RAM盤屬于Linux標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中的塊設(shè)備。作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，Linux提供了通用的接口函數(shù)。用戶可以直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)對RAM盤進(jìn)行操作：

#includesys/types.h>

#includesys/stat.h>

#includefcntl.h>

#includeunistd.h>

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

int close(int fd); /*關(guān)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(kuò)展與實(shí)現(xiàn)

用戶Shell是一個(gè)在μC/OS-Ⅱ下獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)。Shell啟動后，完成一些必要的初始化操作，進(jìn)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(shè)計(jì)的Shell程序中可接受的命令包括：cd(改變RAM盤當(dāng)前目錄)，pwd（顯示RAM盤當(dāng)前目錄），mkdir、rmdir（在RAM盤創(chuàng)立或刪除目錄），ps(顯示當(dāng)前系統(tǒng)中任務(wù)狀態(tài))，kill(終止一一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行)。處理不同通訊協(xié)議的任務(wù)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(wù)的名稱，Shell會在當(dāng)前目錄下查找是否有匹配的可執(zhí)行文件。如果有，則調(diào)用μC/OS-Ⅱ中的系統(tǒng)函數(shù)OSTaskCreate創(chuàng)立一個(gè)新的任務(wù)，否則返回錯(cuò)誤信息。也可以使用kill命令，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskDel終止一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行。在程序的調(diào)試期間，可以使用ps命令查看任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。

由于μC/OS-Ⅱ的內(nèi)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(wù)的堆棧空間。為此，筆者重新編寫了內(nèi)存管理模塊，采用頁方式和首次擬合算法實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)管理。每一內(nèi)存頁為2KB，系統(tǒng)的內(nèi)存資源由一個(gè)雙向鏈表進(jìn)行管理。任務(wù)函數(shù)可調(diào)用OSMemAlloc()t OSMemFree()分配釋放自己所占的內(nèi)存空間。OSMemAlloc()在空閑內(nèi)存鏈表中查詢每一個(gè)符合要求的內(nèi)存塊，并分配給任務(wù)。而OSMemFree()則是將釋放后的內(nèi)存塊重新添加進(jìn)空閑內(nèi)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(shí)時(shí)內(nèi)核的最大優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性和可裁剪性，可以根據(jù)需要定制出最精練的內(nèi)核結(jié)構(gòu)。μC/OS-Ⅱ的本意是為中小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，對于不需要的部分，可以刪改；當(dāng)內(nèi)核缺乏某些功能，設(shè)計(jì)得很容易自行設(shè)計(jì)和添加，從而可以應(yīng)用在更大型的系統(tǒng)上。其性能可以同昂跺的商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的相媲美，而這種改動和擴(kuò)展并不難。這正是開放源代碼軟件的生命力所在。