分析μC/OS的应用及扩展

　　一、 概述

　　近年来，随着微控制器性能的不断提高，嵌入式应用越来越广泛。目前源码开放（C代码）的嵌入式系统有μC/OS的uCLinux。uC/OS是由EAN J.LABROSSE个人开发的嵌入式操作系统。该系统是一个源代码完全公开的实时内核，设计人员在应用过程中可以按照自己的需求对内核进行裁减和扩展，以满足不同工程对应用软件设计的要求。uC/OS是完全占先式的实时内核，支持多任务操作，并且每个任务都有自己单独的栈，这样就清晰了任务之间的界限，增强了系统的稳定性。uC/OS还提供了很多的系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请和释放、时间函数等，并且还支持多达255层的中断嵌套。利用这些系统服务就能轻而易举的完成复杂逻辑的要求，从而缩短系统开发的周期，降低开发的成本。同时uC/OS良好的可扩展性和可移植性，使其能够广泛的应用到各种架构的微处理器上。这里，笔者在ColdFire硬件平台上运行了μC/OS的，实现了uCLinux的文件系统，使得在嵌入式应用中可以进行文件操作。

　　二、 硬件平台

　　本系统的硬件平台采用GPFC（General Purpose Fieldbus Controller）数据采集系统。该系统是由德国汉堡国家同步辐射实验实（DESY）Dr.Matthias Clausen领导的研究小组开发，采用Motorola公司的ColdFire MCF5206处理器为。ColdFire MCF5206处理器属于Motorola 32位MCU家族，在源码上与68K系列兼容。全静态设计，在33MHz的工作频率下可达17MIPS的处理能力。除了具有68K系统的通用功能模块外，片内还带有DRAM控制模块，可以直接外接DRAM芯片。由于ColdFire将片选逻辑电路、总线控制器、DRAM控制模块等全部集成在MCU内部，使得外围电路变得十分简单。

　　三、 软件设计

　　本系统的软件采用μC/OS为嵌入式平台。在应用中切实感到了开放源代码的无可替代的优点。首先是可以根据自己的需要对源代码进行取舍，去掉不需要的变量和不使用的函数，甚至可以根据需要改写相关函数。在μC/OS的源代码中，函数执行中有许多条件判断，作用是防止参数的错误传递。作为通用系统，这些条件判断是完全必要的，避免出现错误时系统崩溃。但作为具体的应用，只要在程序设计时保证参数传递的正确性，完全可以不用条件判断，就能提高函数的执行速度，尤其一些频繁调用的函数，或当MCU速率不高的时候，重写部分函数往往可以显着提高系统性能。另外，由于用户对系统有源码级的了解，可以添加自己编写的模块，与原系统兼容，使系统具有可扩展性。

　　正是由于μC/OS的可扩展性，笔者将uCLinux的RAM盘、文件系统和用户Shell移植到了μC/OS上，在用户程序中可以进行文件操作，文件系统可以为任务保存数据，并提供了统一的接口函数。用户编制的单个任务也可以保存在RAM盘上，可以在终端上用命令方式执行运行、监控、删除任务。

　　四、 文件系统

　　uCLinux的文件系统与Linux的基本相同，文件以树型目录组织。由于篇幅所限，关于文件系统的细节，读者可参考Linux和Unix的相关资料，本例中将RAM中高端的1M分配给文件系统，建立了容量为1M的RAM盘。UCLinux的文件系统由逻辑块组成，如果是磁盘文件系统，对应为磁盘块；RAM盘则对应为内存块，每个块为512字节。一个标准的逻辑盘划分成几个部分：引导块、超级块、索引节点区和数据区。

引导块

超级块

索引节点区

数据区

　　引导块 超级块 索引节点区 数据区

　　引导块在文件系统的开头，通常为一个逻辑块、存放引导程序，用于启动和引导操作系统。在我们的RAM文件系统中由于不需要RAM盘引导，所以不分配引导块。超级块记录文件系统当前状态，盘有多大，能存放多少文件，何处可以找到空闲空间和用于文件系统管理的信息。索引节点区紧接在超级块后面，存放文件系统的索引节点表。在文件系统中每一个文件（包含目录）占据一个索引节点表项。索引节点是一个记录文件信息的数据结构：

　　struct dinode{

　　short di-mode;

　　/*文件模式：是文件还是目录，是可读、可写还是可执行*/

　　short di-nlink;

　　/*和文件相关的链接数*/

　　short di-uid;

　　/*文件所有者的标示*/

　　short di-gid;

　　/*文件所有者的组标示*/

　　long di-size; /*文件大小*/

　　char di-addr[ ];

　　/*文件数据所在的逻辑块编号*/

　　time-t di-atime;

　　/*文件访问的时间*/

　　time-t di-mtime;

　　/*文件修改的时间*/

　　time-t di-ctime;

　　/*文件建立的时间*/

　　}

　　其中的数组di-addr[ ]记录文件数据所在的逻辑块号。本例中RAM盘为1M，每个逻辑块512字节，共2048个逻辑块，所以每个逻辑块的编号要用两个字节表示。为了记录足够长的文件，di-addr[ ]中逻辑块可分为直接块和间接块。关于直接块和间接块的概念，请读者参考Linux的相关文档。分析索引节点可知，通过索引节点就可以完全确定一个文件。索引节点表中的项就是根目录。索引节点区的大小决定了文件系统中多能有多少个文件（包括目录）。

　　添加了文件系统后，任务的运行将和文件相关，所以TCB（任务控制块）要做相应的修改。需要添加任务所在目录项和任务打开文件项。当一个任务调用OSTaskCreate创立新的任务的时候，子任务应该继承先前任务的目录项和任务打开文件项。

　　五、 用户Shell

　　用户Shell实际上是一个在μC/OS下独立运行的任务，处于的优先级。Shell启动后，进入睡眼状态，等待用户输入。由于Shell优先级为，新创建的任务将马上运行。新任务执行完后可以用OSTaskDel删除自己。如果在当前目录中找不到匹配项，则返回错误信息。

　　由于μC/OS中的OSTaskCreate不能动态分配堆栈空间，OSTaskDel也能释放任务的堆栈空间。为了实现Shell的加载和删除任务的功能，笔者对上述两个函数进行了改写，添加了内存管理函数malloc（）和mfree（）。系统的内存资源由一个双向链表进行管理。在OSTaskCreate中调用malloc（），参数为希望分配的内存块数，malloc（）将检索内存管理的双向链表，返回空闲块地址。而OSTaskDel中将调用mfree（）释放内存，重新加入双向链表。为了避免内存空洞，在Shell中启动的任务采用相同大小的堆栈。

　　通过用户Shell,单独的任务可以保存在RAM盘上，通过命令方式运行、监控，查看任务状态、删除任务，作为一种有力的开发和调试手段。

　　六、 结语

　　μC/OS的出现和应用也只是近年来的事，其迅猛的发展证明了开放源码软件的巨大生命力。相信经过广大用户的不断丰富和完善，μC/OS的功能将日趋成熟，应用也会更加广阔。