源碼公開的嵌入式系統(tǒng)軟件資源

長期以來，價格因素限制了RTOS在我國嵌入式應用產(chǎn)品開發(fā)中的推廣與普及。而隨著操作系統(tǒng)走向開放，越來越多的帶源代碼的自由軟件得到了廣泛的認可與應用，其中最著名的是Linux。 Linux 不是實時的，于是出現(xiàn)了RTLinux, （詳見 www.fsmlabs.com ） RTLinux 是實時的，但不是為嵌入式應用設計的。Linux 也不是為嵌入式應用設計的，于是出現(xiàn)了嵌入式Linux, 如uCLinux, （詳見 www.uclinux.org ）, uCLinux 在Linux基礎上做了簡化，去掉了多用戶及虛擬內(nèi)存管理等，適用于嵌入式應用類CPU，內(nèi)核較Linux 小了很多，但仍有500kb之大。uCLiunx是為嵌入式應用設計的，但不是實時的。另一個著名的RTOS自由軟件是RTEMS (Real-Time Executive for Missile Systems) 最初用于美國的導彈系統(tǒng)，（詳見 www.oarcorp.com/RTEMS ）OARCorp 的含義是On-Line Applications Research Corporation , TREMS是實時的，最初并不是為嵌入式應用設計的，是為多處理器應用設計的, C語言版本意為實時多處理系統(tǒng)，Real-Time Executive for Multiprocessor Systems (C Version)，其ada語言版本后來擴展到軍方其他應用，字母M的含義由導彈Missile 變?yōu)檐娛翸ilitary (ada Version) 。 RTEMS 可以用于嵌入式應用，但應為RTEMS總是要基于POSIX API 標準，嵌入到片上系統(tǒng)難度相當大。 這類自由軟件出自于寫Unix的專家里手，功能強，性能穩(wěn)定可靠，雖然有源碼，但因程序量大、版本多，非Linux高手難以掌握。且相應的內(nèi)核較大，有數(shù)百K之多，不易裁剪至嵌入到單片機中去，以實現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC）。一些商業(yè)軟件商將Linux 改頭換面包裝上市，于是出現(xiàn)了各種各樣的阿貓阿狗Linux， 如blue cat Linux, Yellow dog Linux ……有些價格還不低。 Linux源碼公開并不神秘，但由于代碼浩瀚，用于學習與研究實屬不易。而無論在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中使用還是不使用RTOS，學習和掌握RTOS的原理和設計思想都至關重要。專門為嵌入式應用設計的RTOS，?C/OS和 ?C/OS－II 則不僅實用而且是難得的入門教材。?C/OS 是免費軟件， 關于?C/OS的第一本書是1992年出版的，世界上數(shù)以千計的工程技術人員已將?C/OS成功地移植到了幾乎所有知名的CUP上，并應用到了各個應用領域。 由于?C/OS的商業(yè)價值得到了認可，?C/OS－II用于教育仍免費，商用則要許可證了 。1998年，“?C/OS－Ⅱ The Real Time Kernel”一書出版。在2年前的“嵌入式2000學術研討會”上，我介紹了?C/OS和 ?C/OS－Ⅱ，引起了國內(nèi)人士的廣泛注視，中譯本<>于2001年8月出版。我校已在嵌入式系統(tǒng)與單片機課程中用這本書作教材。不少會議要我去講解?C/OS－II，一些公司邀我去為他們的技術人員做?C/OS－II的培訓，盡管用的那些CPU我并不熟悉，共同學習并將?C/OS－II移植到一個自己不熟悉的CPU上 也是件非常有趣的事。 ?C/OS－Ⅱ是一部出色的教材。書中不但給出了一個實時內(nèi)核的全部源代碼，而且對這些代碼做了詳盡的解釋。書中還對實時操作系統(tǒng)中的一些基本概念做了詳細的描述。源程序的寫作風格、注釋都相當漂亮、規(guī)范。商業(yè)軟件不僅僅是貴，而即使有些軟件帶源代碼一起出售，也沒有哪一個解釋的如此詳盡。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ是專門為嵌入式應用設計的，絕大部分代碼是用C語言寫的。CPU硬件相關部分是用匯編語言寫的，總量約200行。匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU上。許多移植的范例可以從網(wǎng)站上得到。用戶只要有C交叉編譯器，就可以將?C/OS－Ⅱ嵌入到開發(fā)的產(chǎn)品中。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ是占先式（Preemptive）多任務實時內(nèi)核，是基于優(yōu)先級的，即總是讓進入就緒態(tài)的諸任務中優(yōu)先級最高的那個任務先運行。每個任務都有互不相同的優(yōu)先級。最多支持64個任務。所有?C/OS及?C/OS－Ⅱ提供的系統(tǒng)服務函數(shù)的執(zhí)行時間都是可知的。除了一個函數(shù)以外，所有函數(shù)的執(zhí)行時間都與任務數(shù)目無關。都不大于某一確定值。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ的另一特點是可裁剪，即只嵌入用戶程序用得著的那些函數(shù)，內(nèi)核占用的ROM/RAM資源，可以依據(jù)產(chǎn)品調(diào)整。 “?C/OS－Ⅱ the Real Time Kernel”一書和其相應的中文本，書后所附的軟件版本是?C/OS－Ⅱ V2.00。到2001年6月，網(wǎng)上出售的?C/OS－Ⅱ的源代碼更新到了2.51。今年上半年，“?C/OS－Ⅱ The Real Time Kernel”一書的第2版又出版了，書中附了?C/OS－Ⅱ的最新版本V2.52。 最新版本的?C/OS－Ⅱ增加了一些有用的新功能，如互斥型信號量，事件標志等，新書在講述?C/OS－Ⅱ方面增加了很多新內(nèi)容，如介紹任務間的通訊與同步，新版書由原來的1章增加到了6章，特別是在移植?C/OS－Ⅱ一章中，介紹了移植后如何測試（詳見 www.ucos-ii.com ）。有關出版社正在聯(lián)系購買版權的事，相信不久的將來新版?C/OS－Ⅱ的中譯本就會在國內(nèi)與讀者見面。 在?C/OS和?C/OS－Ⅱ的學習與應用中聽到最多的反映是兩類問題，一類是關于移植，另一類是有關基于?C/OS－Ⅱ的應用程序。 關于移植，網(wǎng)上有40余種CPU移植的范例，包括8、16、32乃至64位CPU與DSP。從來自各方面的反映來看，移植難度并不在于?C/OS－Ⅱ本身，問題大多是由于C編譯器不同引起的。而對于高校正在就讀的研究生說來，困難還在于幾乎所有單片機用的C編譯器都是商業(yè)軟件，有些還相當貴。我們遇到的問題是，某正版商業(yè)軟件用得好好的，忽然這個公司沒有了，新推出的單片機不支持了。 使用自由軟件Linux 下的 GNU gcc 交叉 C 編譯器作為開發(fā)工具來編譯、移植?C/OS－Ⅱ是一個不錯的選擇。其意義決不僅限于節(jié)省開支，學習使用自由軟件的過程實際也是打造IT 高手的過程。GNU gcc 支持幾乎所有知名16位、32位CPU。 Linux 下自由軟件好用，有強大的網(wǎng)上技術支持是公認的，GNU gcc 的使用難點不在于交叉編譯器本身，而在于開發(fā)環(huán)境的配置。一旦系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境建立起來了，會用了，從長遠看還是很值得的。基于同一編譯器，移植?C/OS－Ⅱ?qū)⒆兊脹]有什么可討論的。 ?C/OS－Ⅱ下的應用程序，問得最多的是關于TCP/IP 協(xié)議棧。雖然有相關商業(yè)軟件可以買到，但對于確定的嵌入式應用，只用到CP/IP 協(xié)議棧其中一小部分時，我們?nèi)灾鲝堊约簩?。Jeremy Bentham 著，“TC/PIP Lean Web Servers for Embedded System” (詳見www.cmpbooks.com) 給出了使用8位單片機撥號上網(wǎng)的例子。書中介紹了如何寫TCP/IP 協(xié)議棧，并附有C程序（該出中并沒有使用任何TROS）。參考這本書，我們用Motorola 8位、16位和32位單片機實現(xiàn)了通過以太網(wǎng)接口芯片直接上網(wǎng)。網(wǎng)絡協(xié)議可以在 www.rfc-editor.org 網(wǎng)站上找到。對于8位單片機68HC08，TCP/IP 部分目標代碼只有7kb左右。對于68HC11/12、CPU32、ColdFire等16、32位單片機，寫這一類程序時你就會發(fā)現(xiàn)，在RTOS ?C/OS－Ⅱ 支持下來做這件事是多么舒服。CPU要完成原來在控制系統(tǒng)中應該完成的任務，又要同時管理網(wǎng)絡的發(fā)送和接受，沒有實時操作系統(tǒng)支持簡直不可想向。 RTOS是計算機專家們多年潛心研究的成果，使用RTOS不僅增加了嵌入式應用系統(tǒng)的可靠性，而且對關鍵事件的處理在延遲時間上有保證，即系統(tǒng)的實時性可以達到理論上可以達到的最優(yōu)值。 RTOS支持多任務，應用程序被分解成多個任務，程序開發(fā)變得更加容易，便于維護，易讀易懂，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。而說到使用RTOS的缺點主要表現(xiàn)于RTOS本身要占用一定的資源，需要額外的ROM/RAM空間來運行RTOS本身。這對于一些內(nèi)存十分有限、且只能工作在單片方式的單片機來說會受到限制。無論使用還是不使用RTOS，學習RTOS的基本思想都是必要的，即使您買了著名的商業(yè)RTOS，也不妨學習、研究一下?C/OS－Ⅱ這個小內(nèi)核，會對用好那個商業(yè)RTOS有幫助。 RTOS是開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的有力武器，RTOS的應用將推廣到各個嵌入式應用的各個領域。學習RTOS，使用RTOS，我們?nèi)褡宓奈⒂嬎銠C嵌入式應用技術水平將會邁上一個新的臺階。