摘要：本文介紹了μC/OS在ColdFire為核心繫統上的具體套用，並在此基礎上做了擴展，在μC/OS的核心上實現了RAM盤和檔案系統。為了方便套用和調試，還實現了用戶Shell程式，可以接受並執行用戶命令，擴展並豐富了μC/OS的功能。
基本介紹
基本信息,概述,硬體平台,軟體設計,檔案系統,用戶Shell,結語,
基本信息
μC/OS的套用和擴展
概述
近年來，隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式套用越來越廣泛。目前市場上的大型商用嵌入式實時系統，如VERTEX，VXWORK，PSOS等等，已經十分成熟，並為用戶提供了強有力的開發和調試工具。但商用嵌入式實時系統價格昂貴，而且都針對特定的硬體平台。對於國內中小型系統的開發，購買商用實時系統並不划算。此時，採用免費軟體和開放代碼不失為一種選擇。目前源碼開放（C代碼）的嵌入式系統有μC/OS的uCLinux。μC/OS簡單易學，提供了嵌入式系統的基本功能，其核心代碼短小精悍，如果針對硬體進行最佳化，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說還是過於簡單，而且存在開發調試困難的問題。UCLinux是免費軟體運動的產物，包含豐富的功能，包括檔案系統、各種外調驅動程式、通訊模組、TCP/IP、PPP、HTTP，甚至WEB伺服器的代碼。在INTERNET上流傳的uCLinux已經被移植到當前幾乎所有的硬體平台上，功能與PC機上運行的Linux不相上下，其代碼也十分複雜。完全移植沒有必要也十分困難，但uCLinux的代碼經過世界範圍內的最佳化，穩定可靠而且高效，所有模組的代碼都可以從INTERNET上獲得，可以進行模組移植。在本例套用中，筆者在ColdFire硬體平台上運行了μC/OS的核心，並實現了uCLinux的檔案系統，使得在嵌入式套用中可以進行檔案操作。同時針對μC/OS調試困難的問題。還移植了uCLinux的用戶Shell，使得用戶可以用命令行方式進行程式的調試和開發。
硬體平台
本系統的硬體平台採用GPFC（General Purpose Fieldbus Controller）數據採集系統。該系統是由德國漢堡國家同步輻射實驗實（DESY）Dr.Matthias Clausen領導的研究小組開發，採用MOTOROLA公司的ColdFire MCF5206處理器為核心。ColdFire MCF5206處理器屬於MOTOROLA 32位MCU家族，在源碼上與68K系列兼容。全靜態設計，在33MHz的工作頻率下可達最大17MIPS的處理能力。除了具有68K系統的通用功能模組外，片內還帶有DRAM控制模組，可以直接外接DRAM晶片。由於ColdFire將片選邏輯電路、匯流排控制器、DRAM控制模組等全部集成在MCU內部，使得外圍電路變得十分簡單。
在筆者所用的GPFC系統中，ColdFire工作在32MHz，外圍電路包括兩片DEAM晶片，總計4M的RAM，一片128K的FLASH，用於存放引導程式。其餘為I/O電路。系統通過RS-232串口與PC機相連。
軟體設計
本系統的軟體採用μC/OS為嵌入式平台。在套用中切實感到了開放原始碼的無可替代的優點。首先是可以根據自己的需要對原始碼進行取捨，去掉不需要的變數和不使用的函式，甚至可以根據需要改寫相關函式。在μC/OS的原始碼中，函式執行中有許多條件判斷，作用是防止參數的錯誤傳遞。例如，與信號量有關的函式在執行前都會檢查一下傳遞給函式的指針是不是一個有效的信號量指針。作為通用系統，這些條件判斷是完全必要的，避免出現錯誤時系統崩潰。但作為具體的套用，只要在程式設計時保證參數傳遞的正確性，完全可以不用條件判斷，就能提高函式的執行速度，尤其一些頻繁調用的函式，或當MCU速率不高的時候，重寫部分函式往往可以顯著提高系統性能。另外，由於用戶對系統有源碼級的了解，可以添加自己編寫的模組，與原系統兼容，使系統具有可擴展性。
正是由於μC/OS的可擴展性，筆者將uCLinux的RAM盤、檔案系統和用戶Shell移植到了μC/OS上，在用戶程式中可以進行檔案操作，檔案系統可以為任務保存數據，並提供了統一的接口函式。用戶編制的單個任務也可以保存在RAM盤上，可以在終端上用命令方式執行運行、監控、刪除任務。
檔案系統
uCLinux的檔案系統與Linux的基本相同，檔案以樹型目錄組織。由於篇幅所限，關於檔案系統的細節，讀者可參考Linux和Unix的相關資料，本例中將RAM中高端的1M分配給檔案系統，建立了容量為1M的RAM盤。UCLinux的檔案系統由邏輯塊組成，如果是磁碟檔案系統，對應為磁碟塊；RAM盤則對應為記憶體塊，每個塊為512位元組。一個標準的邏輯盤劃分成幾個部分：引導塊、超級塊、索引節點區和數據區。
引導塊 超級塊 索引節點區 數據區
引導塊在檔案系統的開頭，通常為一個邏輯塊、存放引導程式，用於啟動和引導作業系統。在我們的RAM檔案系統中由於不需要RAM盤引導，所以不分配引導塊。超級塊記錄檔案系統當前狀態，盤有多大，能存放多少檔案，何處可以找到空閒空間和用於檔案系統管理的信息。索引節點區緊接在超級塊後面，存放檔案系統的索引節點表。在檔案系統中每一個檔案（包含目錄）占據一個索引節點表項。索引節點是一個記錄檔案信息的數據結構：
struct dinode{
short di-mode;
/*檔案模式：是檔案還是目錄，是可讀、可寫還是可執行*/
short di-nlink;
/*和檔案相關的連結數*/
short di-uid;
/*檔案所有者的標示*/
short di-gid;
/*檔案所有者的組標示*/
long di-size; /*檔案大小*/
char di-addr[ ];
/*檔案數據所在的邏輯塊編號*/
time-t di-atime;
/*檔案最後一次訪問的時間*/
time-t di-mtime;
/*檔案最後一次修改的時間*/
time-t di-ctime;
/*檔案建立的時間*/
}
其中的數組di-addr[ ]記錄檔案數據所在的邏輯塊號。本例中RAM盤為1M，每個邏輯塊512位元組，共2048個邏輯塊，所以每個邏輯塊的編號要用兩個位元組表示。為了記錄足夠長的檔案，di-addr[ ]中邏輯塊可分為直接塊和間接塊。關於直接塊和間接塊的概念，請讀者參考Linux的相關文檔。分析索引節點可知，通過索引節點就可以完全確定一個檔案。索引節點表中的第一項就是根目錄。索引節點區的大小決定了檔案系統中最多能有多少個檔案（包括目錄）。在本例中，筆者設定為128項。在索引節點區後就是數據區，數據區以邏輯塊為單位按次序編號。如果要訪問某個檔案，只要找到該檔案對應的索引節點表項，從di-addr[ ]項中就可以查出檔案數據所在的邏輯塊。檔案的訪問需要通過fread()或fwrite()函式，其細節不再複述。
添加了檔案系統後，任務的運行將和檔案相關，所以TCB（任務控制塊）要做相應的修改。需要添加任務所在目錄項和任務打開檔案項。當一個任務調用OSTaskCreate創立新的任務的時候，子任務應該繼承先前任務的目錄項和任務打開檔案項。
用戶Shell
用戶Shell實際上是一個在μC/OS下獨立運行的任務，處於最低的優先權。Shell啟動後，進入睡眼狀態，等待用戶輸入。用戶從終端上輸入命令後將喚醒Shell，Shell首先檢測輸入命令是不是內部命令，如果不是，則在TCB中查詢當前所在檔案目錄，然後在目錄中查詢是否有與輸入匹配的檔案，如果有且檔案屬性為可執行時，則調用OSTaskCreate創立一個新的任務。由於Shell優先權為最低，新創建的任務將馬上運行。新任務執行完後可以用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。
由於μC/OS中的OSTaskCreate不能動態分配堆疊空間，OSTaskDel也能釋放任務的堆疊空間。為了實現Shell的載入和刪除任務的功能，筆者對上述兩個函式進行了改寫，添加了記憶體管理函式malloc（）和mfree()。為了簡間起見，以8k為單位申請和釋放記憶體塊。系統的記憶體資源由一個雙向鍊表進行管理。在OSTaskCreate中調用malloc（），參數為希望分配的記憶體塊數，malloc（）將檢索記憶體管理的雙向鍊表，返回空閒塊地址。而OSTaskDel中將調用mfree()釋放記憶體，重新加入雙向鍊表。為了避免記憶體空洞，在Shell中啟動的任務採用相同大小的堆疊。
通過用戶Shell,單獨的任務可以保存在RAM盤上，通過命令方式運行、監控，查看任務狀態、刪除任務，作為一種有力的開發和調試手段。
結語
μC/OS的出現和套用也只是近年來的事，其迅猛的發展證明了開放源碼軟體的巨大生命力。相信經過廣大用戶的不斷豐富和完善，μC/OS的功能將日趨成熟，套用也會更加廣闊。
