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本文介紹了μC/OS在ColdFire為核心系統上的具體應用，并在此基礎上做了擴展，在μC/OS的核心上實(shí)現了RAM盤(pán)和文件系統。為了方便應用和調試，還實(shí)現了用戶(hù)Shell程序，可以接受并執行用戶(hù)命令，擴展并豐富了μC/OS的功能。 一、 概述 近年來(lái)，隨著(zhù)微控制器性能的不斷提高，嵌入式應用越來(lái)越廣泛。目前市場(chǎng)上的大型商用嵌入式實(shí)時(shí)系統，如VERTEX，VXWORK，PSOS等等，已經(jīng)十分成熟，并為用戶(hù)提供了強有力的開(kāi)發(fā)和調試工具。但商用嵌入式實(shí)時(shí)系統價(jià)格昂貴，而且都針對特定的硬件平臺。對于國內中小型系統的開(kāi)發(fā)，購買(mǎi)商用實(shí)時(shí)系統并不劃算。此時(shí)，采用免費軟件和開(kāi)放代碼不失為一種選擇。目前源碼開(kāi)放（C代碼）的嵌入式系統有μC/OS的uCLinux。μC/OS簡(jiǎn)單易學(xué)，提供了嵌入式系統的基本功能，其核心代碼短小精悍，如果針對硬件進(jìn)行優(yōu)化，還可以獲得更高的執行效率。但是μC/OS相對商用嵌入式系統來(lái)說(shuō)還是過(guò)于簡(jiǎn)單，而且存在開(kāi)發(fā)調試困難的問(wèn)題。UCLinux是免費軟件運動(dòng)的產(chǎn)物，包含豐富的功能，包括文件系統、各種外調驅動(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)被移植到當前幾乎所有的硬件平臺上，功能與PC機上運行的Linux不相上下，其代碼也十分復雜。完全移植沒(méi)有必要也十分困難，但uCLinux的代碼經(jīng)過(guò)世界范圍內的優(yōu)化，穩定可靠而且高效，所有模塊的代碼都可以從INTERNET上獲得，可以進(jìn)行模塊移植。在本例應用中，筆者在ColdFire硬件平臺上運行了μC/OS的核心，并實(shí)現了uCLinux的文件系統，使得在嵌入式應用中可以進(jìn)行文件操作。同時(shí)針對μC/OS調試困難的問(wèn)題。還移植了uCLinux的用戶(hù)Shell，使得用戶(hù)可以用命令行方式進(jìn)行程序的調試和開(kāi)發(fā)。 二、 硬件平臺 本系統的硬件平臺采用GPFC（General Purpose Fieldbus Controller）數據采集系統。該系統是由德國漢堡國家同步輻射實(shí)驗實(shí)（DESY）Dr.Matthias Clausen領(lǐng)導的研究小組開(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)設計，在33MHz的工作頻率下可達最大17MIPS的處理能力。除了具有68K系統的通用功能模塊外，片內還帶有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(xiàn)控制器、DRAM控制模塊等全部集成在MCU內部，使得外圍電路變得十分簡(jiǎn)單。 在筆者所用的GPFC系統中，ColdFire工作在32MHz，外圍電路包括兩片DEAM芯片，共計4M的RAM，一片128K的FLASH，用于存放引導程序。其余為I/O電路。系統通過(guò)RS-232串口與PC機相連。 三、 軟件設計 本系統的軟件采用μC/OS為嵌入式平臺。在應用中切實(shí)感到了開(kāi)放源代碼的無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)。首先是可以根據自己的需要對源代碼進(jìn)行取舍，去掉不需要的變量和不使用的函數，甚至可以根據需要改寫(xiě)相關(guān)函數。在μC/OS的源代碼中，函數執行中有許多條件判斷，作用是防止參數的錯誤傳遞。例如，與信號量有關(guān)的函數在執行前都會(huì )檢查一下傳遞給函數的指針是不是一個(gè)有效的信號量指針。作為通用系統，這些條件判斷是完全必要的，避免出現錯誤時(shí)系統崩潰。但作為具體的應用，只要在程序設計時(shí)保證參數傳遞的正確性，完全可以不用條件判斷，就能提高函數的執行速度，尤其一些頻繁調用的函數，或當MCU速率不高的時(shí)候，重寫(xiě)部分函數往往可以顯著(zhù)提高系統性能。另外，由于用戶(hù)對系統有源碼級的了解，可以添加自己編寫(xiě)的模塊，與原系統兼容，使系統具有可擴展性。 正是由于μC/OS的可擴展性，筆者將uCLinux的RAM盤(pán)、文件系統和用戶(hù)Shell移植到了μC/OS上，在用戶(hù)程序中可以進(jìn)行文件操作，文件系統可以為任務(wù)保存數據，并提供了統一的接口函數。用戶(hù)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行運行、監控、刪除任務(wù)。 四、 文件系統 uCLinux的文件系統與Linux的基本相同，文件以樹(shù)型目錄組織。由于篇幅所限，關(guān)于文件系統的細節，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，建立了容量為1M的RAM盤(pán)。UCLinux的文件系統由邏輯塊組成，如果是磁盤(pán)文件系統，對應為磁盤(pán)塊；RAM盤(pán)則對應為內存塊，每個(gè)塊為512字節。一個(gè)標準的邏輯盤(pán)劃分成幾個(gè)部分：引導塊、超級塊、索引節點(diǎn)區和數據區。 [td]引導塊
引導塊在文件系統的開(kāi)頭，通常為一個(gè)邏輯塊、存放引導程序，用于啟動(dòng)和引導操作系統。在我們的RAM文件系統中由于不需要RAM盤(pán)引導，所以不分配引導塊。超級塊記錄文件系統當前狀態(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管理的信息。索引節點(diǎn)區緊接在超級塊后面，存放文件系統的索引節點(diǎn)表。在文件系統中每一個(gè)文件（包含目錄）占據一個(gè)索引節點(diǎn)表項。索引節點(diǎn)是一個(gè)記錄文件信息的數據結構： struct dinode{ short di-mode; /*文件模式：是文件還是目錄，是可讀、可寫(xiě)還是可執行*/ short di-nlink; /*和文件相關(guān)的鏈接數*/ 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[ ]; /*文件數據所在的邏輯塊編號*/ time-t di-atime; /*文件最后一次訪(fǎng)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*/ } 其中的數組di-addr[ ]記錄文件數據所在的邏輯塊號。本例中RAM盤(pán)為1M，每個(gè)邏輯塊512字節，共2048個(gè)邏輯塊，所以每個(gè)邏輯塊的編號要用兩個(gè)字節表示。為了記錄足夠長(cháng)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，請讀者參考Linux的相關(guān)文檔。分析索引節點(diǎn)可知，通過(guò)索引節點(diǎn)就可以完全確定一個(gè)文件。索引節點(diǎn)表中的第一項就是根目錄。索引節點(diǎn)區的大小決定了文件系統中最多能有多少個(gè)文件（包括目錄）。在本例中，筆者設定為128項。在索引節點(diǎn)區后就是數據區，數據區以邏輯塊為單位按次序編號。如果要訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)文件，只要找到該文件對應的索引節點(diǎn)表項，從di-addr[ ]項中就可以查出文件數據所在的邏輯塊。文件的訪(fǎng)問(wèn)需要通過(guò)fread()或fwrite()函數，其細節不再復述。 添加了文件系統后，任務(wù)的運行將和文件相關(guān)，所以TCB（任務(wù)控制塊）要做相應的修改。需要添加任務(wù)所在目錄項和任務(wù)打開(kāi)文件項。當一個(gè)任務(wù)調用OSTaskCreate創(chuàng )立新的任務(wù)的時(shí)候，子任務(wù)應該繼承先前任務(wù)的目錄項和任務(wù)打開(kāi)文件項。 五、 用戶(hù)Shell 用戶(hù)Shell實(shí)際上是一個(gè)在μC/OS下獨立運行的任務(wù)，處于最低的優(yōu)先級。Shell啟動(dòng)后，進(jìn)入睡眼狀態(tài)，等待用戶(hù)輸入。用戶(hù)從終端上輸入命令后將喚醒Shell，Shell首先檢測輸入命令是不是內部命令，如果不是，則在TCB中查詢(xún)當前所在文件目錄，然后在目錄中查詢(xún)是否有與輸入匹配的文件，如果有且文件屬性為可執行時(shí)，則調用OSTaskCreate創(chuàng )立一個(gè)新的任務(wù)。由于Shell優(yōu)先級為最低，新創(chuàng )建的任務(wù)將馬上運行。新任務(wù)執行完后可以用OSTaskDel刪除自己。如果在當前目錄中找不到匹配項，則返回錯誤信息。 在本例中，Shell中包含的內部命令為cd（改變當前目錄），pwd（顯示當前工作目錄），mkdir,rmdir(創(chuàng )立刪除目錄)，ps（顯示當前系統中的任務(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Shell的加載和刪除任務(wù)的功能，筆者對上述兩個(gè)函數進(jìn)行了改寫(xiě)，添加了內存管理函數malloc（）和mfree()。為了簡(jiǎn)間起見(jiàn)，以8k為單位申請和釋放內存塊。系統的內存資源由一個(gè)雙向鏈表進(jìn)行管理。在OSTaskCreate中調用malloc（），參數為希望分配的內存塊數，malloc（）將檢索內存管理的雙向鏈表，返回空閑塊地址。而OSTaskDel中將調用mfree()釋放內存，重新加入雙向鏈表。為了避免內存空洞，在Shell中啟動(dòng)的任務(wù)采用相同大小的堆棧。 通過(guò)用戶(hù)Shell,單獨的任務(wù)可以保存在RAM盤(pán)上，通過(guò)命令方式運行、監控，查看任務(wù)狀態(tài)、刪除任務(wù)，作為一種有力的開(kāi)發(fā)和調試手段。 六、 結語(yǔ) μC/OS的出現和應用也只是近年來(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(hù)的不斷豐富和完善，μC/OS的功能將日趨成熟，應用也會(huì )更加廣闊。 |
