基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

1、第2章 開發(fā)環(huán)境 在基于實(shí)時(shí)操作統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，開發(fā)環(huán)境主要包括操作系統(tǒng)和微處理器兩部分內(nèi)容。 這兩部分都是使用者根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要來選擇的，在本書中，為了方便說明，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選用c/os - ，微處理器選擇arm7。2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇 在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，有很多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以選擇，如嵌入式linux、windows ce和vxworks等大批優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它們當(dāng)中有些是商業(yè)性的，代碼不公開，有些代碼比較長(zhǎng)，不利于學(xué)習(xí)掌握。在眾多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，我們選擇c/os -作為例子。 c/os -是jean j.labrosse設(shè)計(jì)的完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任

2、務(wù)內(nèi)核，代碼絕大部分是用標(biāo)準(zhǔn)c語言編寫的。到現(xiàn)在為止， c/os -已經(jīng)被移植到了40多種徽處理器上，這些微處理器從8位到64位都有在各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)有數(shù)千個(gè)應(yīng)用使用該內(nèi)核。它有很好的穩(wěn)定性和可靠性。 2000年7月， c/os -在一個(gè)航空項(xiàng)目中取得了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局用于商用飛機(jī)、符合rtca do - 178b標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。 c/os -是一個(gè)公開源代碼的操作系統(tǒng)，代碼很短（約5 500行），與一些商用的公開源代碼的實(shí)時(shí)內(nèi)核相比，它的源代碼清晰易讀，結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，注釋詳盡。現(xiàn)在很多高等學(xué)校將c/os -應(yīng)用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)數(shù)學(xué)。 c/os -具有可移植性，絕大部分源代碼是用c語言編寫的；而與處處理

3、器密切相關(guān)的部分用匯編語言縮寫。但這一部分內(nèi)容很少，方便使用者將內(nèi)核移植到自己的微處理器上。 實(shí)踐證明， c/os -可以在很大一部分微處理器上運(yùn)行。用戶一旦移植了c/os -到自已的微處理器，就可以在此基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用程序、并把c/os -作為自己產(chǎn)品的一部分固化在里面。 c/os -是可剪裁的，用戶可以跟據(jù)自己的需要決定使用內(nèi)核中的多少成分。剪裁可以通過定義宏來實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易行?？蓜儕Z性和多任務(wù)也是c/os -的重要特性，他總是運(yùn)行處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。c/os -可以管理64個(gè)任務(wù)，用戶可以使用其中的56個(gè)。 絕大多數(shù)c/os -的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性。 c/os -

4、提供了很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、塊大小固定的內(nèi)存申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。中斷可以掛起c/os -正在執(zhí)行的任務(wù)，中斷退出后執(zhí)行的任務(wù)是當(dāng)前就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，而不一定是被中斷的任務(wù)。這就要求每個(gè)任務(wù)有自己的堆棧，保存任務(wù)切換和被中斷時(shí)環(huán)境的上下文變量。 基于c/os -具有以上優(yōu)點(diǎn)，我們以它為例來介紹基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的編程方法，就更容易理解和接受。 8位的51單片機(jī)發(fā)展的技術(shù)比較成熟，簡(jiǎn)單易學(xué)，所以通常用作應(yīng)用電子專業(yè)的重要課程來學(xué)。但是，該單片機(jī)的資源相對(duì)缺乏，如果在上面應(yīng)用操作系統(tǒng)，就顯得資源比較緊張。這就需要高超的技巧和經(jīng)驗(yàn)

5、；否則很容易出錯(cuò)。 與51單片機(jī)比較，32位的arm系列微處理器就顯得功能非常強(qiáng)大處理速度也快，內(nèi)存資源相當(dāng)豐富，具有使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的有利條件。 arm公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)。該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量的高性價(jià)比的、低功耗的精簡(jiǎn)指令集微處理器。在設(shè)計(jì)上，arm微處理器具有外形小，性能高，成本低和功耗低的特點(diǎn)。arm微處理器適用于很多領(lǐng)域，比如嵌入式控制、消費(fèi)教育類多媒體dsp和移動(dòng)式應(yīng)用等。 此外，arm將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和oem廠商，每個(gè)廠商得到的都是一套獨(dú)一無二的arm相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，arm很快成為許多全球性risc標(biāo)準(zhǔn)的締造者。目前，總共有30

6、家半導(dǎo)體公司與arm簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括intel、ibm、 lg半導(dǎo)體、nec、sony、菲利浦和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽和mri等一系列知名公司。 arm微處理器目前有6個(gè)產(chǎn)品系列：arm7、arm9、arm9e、armloe、securcore和arm11。這里選擇arm7系列的lpc2214。在arm系列微控制器上有足夠的系統(tǒng)資源運(yùn)行c/os - ii，且在國(guó)內(nèi)比較普及。2.3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和cpu選定以后，接下來的工作便是把系統(tǒng)移植到我們選擇的arm微處理器上。這類的代碼在網(wǎng)上很多，移植的方法也大同小

7、異。我們使用周立功公司提供的移植模板進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)。2.4 開發(fā)調(diào)試環(huán)境的建立 本節(jié)中，我們以arm7tdmi微處理器為例說明典型的調(diào)試環(huán)境結(jié)構(gòu)。在調(diào)試環(huán)境中，微處理器是作為執(zhí)行高級(jí)調(diào)試與它支持的低級(jí)調(diào)試之間的接口存在的。一個(gè)調(diào)試系統(tǒng)通常分為3部分：一是通用計(jì)算機(jī)（用來運(yùn)行調(diào)試軟件，稱之為調(diào)試主機(jī)）；二是協(xié)議轉(zhuǎn)換器（連接調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高級(jí)命令與微處理器jtag接口的低級(jí)命令之間的接口）；三是調(diào)試目標(biāo)。 easyjtag仿真器是周立功公司開發(fā)的lpc2000系列arm7微控制器的jtag仿真器，支持ads1.2集成開發(fā)環(huán)境，支持單步、 全速及斷點(diǎn)等調(diào)試功能，支持下載程序到片內(nèi)flash和特定型號(hào)的

8、片外flash，采用arm公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳jtag仿真調(diào)試接口。 2.5 工程模板的使用 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司提供了lpc2200專用工程模板本書中使用的模板為arm executable image forc/os - ii(maigcarm2200)。該模板包括以下幾個(gè)文件組。下面結(jié)合實(shí)例說明模板中這些文件組如何定制。 2.5.1 scf文件組文件組 scf為分散加載描述文件組，包含mem_a.scf、mem_b.scf和mem_c.scf。工程模板使用了ads的分散加載機(jī)制。只要編輯相應(yīng)的分散加載描述文件，即可將代碼段和數(shù)據(jù)段分別定位到指定的地址上。一般用戶可以使用默認(rèn)設(shè)置。

9、2. 5.2 *h文件組文件組該組指的是頭文件組，包含： os_cfgh 操作系統(tǒng)配置文件，定制操作系統(tǒng)； includesh 總頭文件c/os -要求； lpc2294.h 定義微處理器的相關(guān)寄存器； config.h 總頭文件，模板要求； targeth 目標(biāo)頭文件聲明； os_cpuh 操作系統(tǒng)移植頭文件； ucos_iih 操作系統(tǒng)自帶頭文件。 以上文件中的os_cfgh、configh和os_cpuh與用戶的應(yīng)用密切相關(guān)，其他幾個(gè)文件一般用戶可以設(shè)置為默認(rèn)。下面說明這幾個(gè)文件的設(shè)置方法。os- cfgh 為操作系統(tǒng)配置文件，用戶進(jìn)行操作系統(tǒng)的剪裁定制就是靠更改這個(gè)文件實(shí)現(xiàn)的，例如：

10、os_max_events：在應(yīng)用中最大事件控制塊的個(gè)數(shù)，包括信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列的總和。因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列都占用1個(gè)事件控制塊，例如在實(shí)例程序中，用了1個(gè)郵箱、1個(gè)消息隊(duì)列和1個(gè)互斥信號(hào)量，所以該項(xiàng)參數(shù)的最小值應(yīng)為3。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)設(shè)置得大一些，以備擴(kuò)展事件用；在實(shí)例中設(shè)置為8。 os_max_mem_part：定義系統(tǒng)中內(nèi)存塊的最大數(shù)目。如果不用內(nèi)存控制，則設(shè)置為默認(rèn)值即可。在實(shí)例中設(shè)置為模板默認(rèn)值5。 os_max_qs：定義系統(tǒng)中可以定義的消息隊(duì)列的最大隊(duì)列塊的數(shù)目。在實(shí)例中用了1個(gè)消息隊(duì)列，所以該值最小設(shè)定為1。為了擴(kuò)展兼容，在實(shí)例中設(shè)置為4。 os_max_ta

11、sks；定義用戶程序中可以使用的最多任務(wù)數(shù)。該值不能大于62。該項(xiàng)值的設(shè)定應(yīng)該比實(shí)際應(yīng)用的任務(wù)數(shù)大一些，這樣在增加新的任務(wù)時(shí)就不需要修改這一項(xiàng)的值。但是不能比實(shí)際任務(wù)數(shù)大太多，這樣會(huì)浪費(fèi)寶貴的內(nèi)存空間。在實(shí)例中用了7個(gè)任務(wù)，該項(xiàng)定義為10。 os_lowest_prio：設(shè)定系統(tǒng)中要使用的最低任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。設(shè)定該值可以節(jié)省操作系統(tǒng)使用ram的空間，任務(wù)的最低優(yōu)先級(jí)和最大任務(wù)數(shù)沒有直接關(guān)系。操作系統(tǒng)留了兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先os_lowest_prio和os_lowest_prio -1給空閑任務(wù)和統(tǒng)計(jì)任務(wù)，所以用戶可以用的實(shí)際任務(wù)優(yōu)先級(jí)的值是在0 os_lowest_prio -2之間的數(shù)。 在實(shí)例中該

12、值設(shè)定為20，實(shí)際可用的優(yōu)先級(jí)為0-18，其中優(yōu)先級(jí)0-3為操作系統(tǒng)作者建議保留的級(jí)別，以備升級(jí)之用。如果為了產(chǎn)品與新版本的操作系統(tǒng)兼容，則可以利用的優(yōu)先級(jí)為4-18，實(shí)際應(yīng)用中有7個(gè)任務(wù)。這樣設(shè)置的目的是，在各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)之間彼此可以間隔，在插入新任務(wù)或者使用互斥信號(hào)量時(shí)就不用調(diào)整其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)了。 os_ticks_per_sec：設(shè)定調(diào)用ostimetick()函數(shù)的頻率，也就是系統(tǒng)時(shí)鐘最小單位的設(shè)定。如果這個(gè)值設(shè)定得太大，則系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)受到影響；如果設(shè)置得太小，則cpu會(huì)忙于時(shí)鐘處理而增大開銷。根據(jù)微處理器的不同，該值設(shè)置為10-100 ms的周期為宜，對(duì)應(yīng)頻率為10-100 hz

13、。在實(shí)例中設(shè)置20 ms的周期，即將該值設(shè)置為50。 其他的一些項(xiàng)目，例如事件標(biāo)志、消息郵箱、內(nèi)存管理等的使能標(biāo)志定義，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)建議直接使用模板的默認(rèn)值（全部使能），但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該進(jìn)行剪裁。2config.h config.h文件中主要包括一些宏定義和文件包含操作。對(duì)于宏定義，使用者可以根據(jù)自己的喜好將一些數(shù)據(jù)類型定義為自己習(xí)慣的標(biāo)識(shí)符。在實(shí)際應(yīng)用中，這一部分內(nèi)容可以不動(dòng)。如果不喜歡用模板定義的名稱，則可以用標(biāo)準(zhǔn)的定義變量方法，例如在應(yīng)用中可以直接用unsigned char定義無符號(hào)字符型變量，而不用uint8或int8u。 configh文件的另一部分內(nèi)容是定義文件包含。用戶根據(jù)需要

14、包含自己定義的頭文件。 # include “i2c. h . # include zlg7290. h # define zlg-7290addr 0 x70 # include lcddriver. h # include “gui_basic. h .3. os_cpu.h os_cpu.h文件中主要定義與編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型，這主要是為了系統(tǒng)移植用。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)為了增加可移植性，用了一些“不合法的數(shù)據(jù)類型”，例如int8u。這在任何編譯器下都是錯(cuò)誤的。操作系統(tǒng)移植就是要將這個(gè)int8u進(jìn)行宏定義，定義為用戶所用編譯器所理解的類型。這部分操作在系統(tǒng)移植階段已經(jīng)做好了，用戶可以不更改。還有

15、一部分是與arm7相關(guān)的類型，主要是一些軟件中斷的定義，用來處理函數(shù)的底層接口。這是移植操作時(shí)完成的任務(wù)，用戶可以不需要修改。 2.5.3 arm文件組文件組 這一部分內(nèi)容主要是與操作系統(tǒng)的移植有關(guān)，包括os_cpu_as和os_cpu_cc文件。 os_cpu_as文件的主要內(nèi)容是c/os -在lpc2l0 x上的移植代碼匯編語言部分。 os_cpu_cc文件的主要內(nèi)容是c/os -在lpc210 x上的移植代碼c語言部分，包括任務(wù)堆棧初始化代碼、鉤子函數(shù)和軟中斷服務(wù)函數(shù)。2.5.4 target文件組文件組 target文件組包括targetc、irqs和startups文件。 targe

16、tc文件為lpc2200目標(biāo)板的特殊代碼的頭文件。每個(gè)用戶工程都必須包含targetc文件，而且用戶可以根據(jù)需要修改它的內(nèi)容。 irqs文件為用于添加irq中斷句柄的文件，允許中斷嵌套。 startups文件為lpc2200的啟動(dòng)代碼，包括入口的初始化代碼，每個(gè)用戶工程應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際需要有一個(gè)自己專用的startups文件。1 target.ctargetc文件中包含關(guān)于系統(tǒng)時(shí)鐘中斷定義的函數(shù)timer0init() 。在程序清單中沒有對(duì)pr進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際上選擇了默認(rèn)值0（不分頻）。當(dāng)t0mr0=(fpclk/50)時(shí)，中斷時(shí)間間隔就是20 ms。void timer0init(void)

17、 t0ir=0xffffffff; t0tc=0; t0tcr=0x01; t0mcr=0x03; t0mr0=(fpclk/50);其他內(nèi)容略2.irq.s irqs文件中包含中斷句柄的定義，只要按照要求添加即可。3. startup. s startups文件是關(guān)于lpc2290的啟動(dòng)代碼，用戶應(yīng)該根據(jù)自己工程的需要更改其中的內(nèi)容，例如在用戶程序中，需要用fiq中斷，就應(yīng)該定義fiq中斷堆棧的大小。2.5.5 c/os -文件組 包括c/os -實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的全部文件。默認(rèn)情況下可以包含全部的文件，用戶不用進(jìn)行任何修改。但也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行剪裁，例如在應(yīng)用時(shí)不用信號(hào)量管理函數(shù)就可以將os_sem.c文件從工程中移除，且對(duì)工程編譯產(chǎn)生的代碼長(zhǎng)