基于μC/OS-Ⅱ的1553B和ARINC429总线实时协议转换系统的设计

4 实时操作系统的移植、构建和优化

将嵌入式实时内核μC/OS-II移植到DSP控制器TMS320LF2407上构建一个低成本的通用嵌入式实时软件平台,以进行系统软件的开发。引入μC/OS-II实时内核的目的是要以很小的系统代价,大大降低DSP系统软件开发的难度,同时使系统的实时性得到保证。

4.1 μC/OS-II移植的可行性分析

所谓移植,就是使一个实时内核能在某个处理器上运行[7]。因为C语言是跨平台的,各种编译器都支持,所以μC/OS-II和其他嵌入式操作系统一样,和处理器无关的代码主要用C语言写。虽然μC/OS-II系统的大部分源代码都是用C 语言实现的,但仍需要使用X86 汇编语言来完成一些与处理器、寄存器相关的代码[8]。这是因为μC/OS-II在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。

要顺利移植μC/OS-II,处理器必须满足以下要求:(1)处理器的C编译器能产生重入代码,利用C语言就可以打开和关闭中断;(2)处理器支持中断,并能产生定时中断;(3)处理器支持足够的RAM(可能是几千字节)作为数据存储的硬件堆栈; (4)处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。

显然,采用的控制器TMS320LF2407及编译器CCS均可满足要求,因此完全可以在TMS320LF2407上移植嵌入式实时内核μC/OS-II。

4.2 μC/OS-II的代码结构和移植步骤

μC/OS-II的代码结构以及它与硬件的关系如图4所示,其全部代码可以分为三个部分[9]:


(1)与处理器无关的代码。包括\SOFTWAREμC/OS-IISOURCE目录下的文件,主要提供μC/OS-II的系统服务、任务管理、任务间通信与内存管理等。这部分代码可完全移植到处理器上。

(2)与应用相关的代码。包括OS_CFG.H和INCLUDES.H头文件。OS_CFG.H文件包含μC/OS-II的初始化配置项,由一系列#define constant语句构成。INCLUDES.H是一个头文件,在所有.C文件的第一行被包含。用户可以通过编辑INCLUDES.H来增加自己的头文件,但是用户的头文件必须添加在头文件列表的最后。

(3) 与处理器相关的代码。即OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM及OS_CPU_C.C,绝大部分的移植工作都集中在这里。

移植μC/OS-II的具体步骤是:(1)在OS_CPU.H中设置一个常量来标识堆栈增长方向;(2)在OS_CPU.H中声明几个用于开关中断和任务切换的宏;(3)在OS_CPU.H中针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型;(4)在OS_CPU_A.ASM中改写4个汇编语言的函数:OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR();(5)在OS_CPU_C.C中用C 语言重新编写6个简单的C函数: OSTaskStk Init()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTimeTick Hook();(6)修改主头文件INCLUDES.H,将上面的三个文件和其他的头文件加入。

4.3 实时操作系统软件平台的优化

移植后的实时操作系统可根据具体硬件和性能需求进行优化,以获得更高的执行效率。

(1) 裁剪[9]

μC/OS-II具有源代码开放的优点,是一个可裁剪的操作系统。在实际应用时可根据需要对源代码进行取舍,去掉不需要的服务以及不需要的变量和函数,甚至可以根据需要改写相关函数。代码的削减可通过设置OS_CFG.H中的#define OS_×××_EN为0来实现。本系统中取消了不需要的邮箱服务、任务挂起等功能,使得代码非常简练,可靠性更好。此外,在μC/OS-II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,所以在本系统程序设计时,取消了全部的条件判断,从而提高了函数的执行速度。

(2) 改进内存管理

μC/OS-II在内存管理上显得过于简单,其任务栈空间和内存分区的创建采用了定义全局数组的方法,即定义一维或二维的全局数组,在创建任务或内存分区时,将数组名作为内存地址指针传递给生成函数。这样实现起来固然简单,但是不够灵活有效。

编译器会将全局数组作为未初始化的全局变量,放到应用程序映像的数据段。数组大小是固定的,生成映像后不可能在使用中动态地改变。对于任务栈空间来说,数组定义大了会造成内存浪费,定义小了任务栈溢出会造成系统崩溃。对于内存分区,在不知道系统初始化后给用户留下了多少自由内存空间的情况下,很难定义内存分区所用数组的大小。可见,利用全局数组来分配内存空间是不合理的。另外,目前的μC/OS-II只支持固定大小的内存分区,容易造成内存浪费。所以应该改进以支持可变大小的内存分区。

因此,在本系统中采用如下方法来对内存进行管理:①系统初始化时,正确