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(jiǎn)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(dòng)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,，硬件平臺(tái)為通用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線控制器(GPFC)? ColdFire
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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(duì)于國(guó)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(huì)。
2 通用現(xiàn)場(chǎng)總線控制器
GPFC(General Purpose Field bus Controller)——通用現(xiàn)場(chǎng)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(guó)國(guó)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(chǎng)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家族的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,，使得外圍電路變得十分簡(jiǎn)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(dòng)電路,，可支持以太網(wǎng),、CAN、Profibus,、MIL1553等多種現(xiàn)場(chǎng)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。
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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(guó)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到的網(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(duì)某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的任務(wù)就行了,。
VxWorks價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)買一套要幾十萬元人民幣,。為了滿足國(guó)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)自己的需要定制軟件,。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(jí)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(hào)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可以用于更小規(guī)模的應(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規(guī)模的系統(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(duì)于一般的中小系統(tǒng)，任務(wù)堆?？梢匀装僮止?jié)到幾千字節(jié),。對(duì)于頻繁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的堆棧空間,，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移植到了μC/OS-II上并編寫了內(nèi)存管理模塊,，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配和釋放。系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)可以對(duì)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(dòng)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(jí)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(qǐng)感興趣的讀者參考有關(guān)Linux文件系統(tǒng)的資料,，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)。
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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(jí)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(jí)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。用于管理磁盤的超級(jí)塊非常復(fù)雜,，用于RAM盤則可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化,，簡(jiǎn)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)總數(shù)*/
?????? long s_blocks_count,；? ?? ?/*文件系統(tǒng)中的塊總數(shù)*/
?????? long s_r_blocks_cout,； ?? ?/*為超級(jí)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(jí)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，其實(shí)就是尋找文件對(duì)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)表的第一項(xiàng)固定為根目錄對(duì)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_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(hào)*/
?????? 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)表項(xiàng)。
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(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)號(hào)。獲得了文件的索引節(jié)點(diǎn)號(hào),，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(chǔ)位置等信息,，進(jìn)一步就可進(jìn)行讀寫操作,。
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(duì)RAM盤進(jìn)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(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(dòng)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)中的任務(wù)狀態(tài))，kill(終止一個(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(huì)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中的內(nèi)存管理功能有限,，OSTaskCreate函數(shù)不能動(dòng)態(tài)分配堆?？臻g，OSTaskDel也不能釋放任務(wù)的堆?？臻g,。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(dòng)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()和OSMemFree()分配和釋放自己所占的內(nèi)存空間,。OSMemAlloc()在空閑內(nèi)存鏈表中查詢第一個(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(duì)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)者很容易自行設(shè)計(jì)和添加，從而可以應(yīng)用在更大型的系統(tǒng)上,。其性能可以同昂貴的商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相媲美,，而這種改動(dòng)和擴(kuò)展并不難,。這正是開放源代碼軟件的生命力所在。
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參考文獻(xiàn)
1 Jean J. Labrosse.MicroC/OS The Real-Time Kernel.R&D Publications,， Inc
2 Jean J. Labrosse.MicroC/OS-II The Real-Time Kernel.R&D Publications,， Inc
3 Jean J. Labrosse.邵貝貝譯.嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核.北京：電力出版社