摘? 要: 介紹了一種在嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核(以下簡稱實時內(nèi)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(nèi)核的應用領域。實時內(nèi)核采用目前十分流行的免費內(nèi)核μC/OS-II,，硬件平臺為通用現(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
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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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(guān)(關(guān)于GPFC的技術(shù)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家族的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(nèi)部，使得外圍電路變得十分簡單,。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(qū)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(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
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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到的網(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(nèi)買一套要幾十萬元人民幣,。為了滿足國內(nèi)應用要求,，筆者希望尋找一種廉價的實時內(nèi)核，一方面可降低軟件方面的成本,，同時可根據(jù)自己的需要定制軟件,。經(jīng)過調(diào)研，決定采用當前十分流行的μC/OS-II作為實時內(nèi)核,。
μC/OS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務內(nèi)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(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規(guī)模的系統(tǒng)上。RAM的占用與系統(tǒng)中的任務數(shù)有關(guān),，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),。對于頻繁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?？臻g，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，實現(xiàn)內(nèi)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(diào)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(nèi)存塊。在筆者為GPFC設計的RAM盤中,，將內(nèi)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(guān)于EXT2系統(tǒng)的細節(jié),，請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盤中實現(xiàn)及主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
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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(jié)構(gòu),，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(jié)構(gòu)如下:
struct ram_super_block
{
??? ??? long s_inodes_count；?? ?? /*文件系統(tǒng)中節(jié)點總數(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(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(jié)構(gòu)dinode,。訪問文件，其實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)點表的第一項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_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(nèi)存塊和索引節(jié)點表項,。
與文件訪問過程相關(guān)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(jié)構(gòu)中就可以知道文件的種類,、存儲位置等信息,，進一步就可進行讀寫操作。
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(diào)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(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)中的任務狀態(tài)),，kill(終止一個任務的運行)。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(diào)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(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskDel終止一個任務的運行,。在程序的調(diào)試期間,，可以使用ps命令查看任務運行狀態(tài)。
由于μC/OS-II中的內(nèi)存管理功能有限,，OSTaskCreate函數(shù)不能動態(tài)分配堆?？臻g，OSTaskDel也不能釋放任務的堆?？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)存資源由一個雙向鏈表進行管理,。任務函數(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符合要求的內(nèi)存塊，并分配給任務,。而OSMemFree()則是將釋放后的內(nèi)存塊重新添加進空閑內(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時內(nèi)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(nèi)核結(jié)構(gòu),。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(nèi)核缺乏某些功能,，設計者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,。其性能可以同昂貴的商業(yè)實時操作系統(tǒng)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,。
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參考文獻
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.嵌入式實時內(nèi)核.北京：電力出版社