Nucleus Plus在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

    Nucleus Plus是美國(guó)源代碼操作系統(tǒng)商ATI公司推出的新一代嵌入式操作系統(tǒng)，屬于搶先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核， 95%的代碼使用ANSI C編寫，非常便于移植于各種處理器家族。從實(shí)現(xiàn)的角度講，不同于傳統(tǒng)嵌入式開(kāi)發(fā)，Nucleus Plus是以函數(shù)庫(kù)的形式鏈接到目標(biāo)應(yīng)用程序中，形成可執(zhí)行目標(biāo)代碼，下載到目標(biāo)板上或燒到ROM/FLASH ROM 中去執(zhí)行。Nucleus Plus內(nèi)核在典型的CISC體系結(jié)構(gòu)上占據(jù)大約20k空間，而在典型的RISC體系結(jié)構(gòu)上占據(jù)空間為40k左右，其內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占據(jù)1.5k字節(jié)的空間。Nucleus Plus以其實(shí)時(shí)響應(yīng)、搶先、多任務(wù)以及源代碼開(kāi)放特性獲得在通訊、國(guó)防、工業(yè)控制、航空/航天、鐵路、網(wǎng)絡(luò)、POS、自動(dòng)化控制、智能家電等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

Nucleus Plus內(nèi)核技術(shù)

    ATI公司使用一種叫做軟件組件的方法。所謂軟件組件，就是具有明確目的或用途的由1個(gè)或數(shù)個(gè)C語(yǔ)言/匯編源文件的一段非獨(dú)立執(zhí)行應(yīng)用程序，且每個(gè)組件都提供一個(gè)定義好的外部接口，必須通過(guò)外部接口來(lái)使用組件。訪問(wèn)組件內(nèi)的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是被禁止的。使用了組件方法， 軟件組件既易于更新也易于重用。Nucleus Plus軟件組件通常由定義數(shù)據(jù)類型、常量以及外部接口的INCLUDE 頭文件和一個(gè)或多個(gè)C語(yǔ)言/匯編源文件組成。Nucleus Plus 提供如下組件：任務(wù)控制管理、內(nèi)存管理、 定時(shí)器管理、中斷、系統(tǒng)診斷、I/O驅(qū)動(dòng)管理等共16個(gè)組件如下，

Nucleus Plus Kernel：    Common Service Component（CS）

　　　　　　　　　Initialization Component（IN）

　　　　　　　　　Tread Control Component（TC）

　　　　　　　　　Timer Component（TI）

　　　　　　　　　Mailbox Component（MB）

　　　　　　　　　Pipe Component（PI）

　　　　　　　　　Semaphore Component（SM）

　　　　　　　　　Event Flag Component（EV）

　　　　　　　　　Partition Component（PM）

　　　　　　　　　Queue Component（QM）

　　　　　　　　　Dynamic Memory Component（DM）

　　　　　　　　　I/O Component（I/O）

　　　　　　　　　History Component（HI）

　　　　　　　　　Error Component（ER）

　　　　　　　　　License Component （LI）

　　　　　　　　　Release Component（RL）

 其中：

　　* IN：負(fù)責(zé)初始化Nucleus Plus 系統(tǒng)

　　* TC：負(fù)責(zé)管理Nucleus Plus的搶占式實(shí)時(shí) 任務(wù)和HISR的運(yùn)行

　　* CS：負(fù)責(zé)提供具有鏈接列表其它的設(shè)備Nucleus Plus 組件

　　* TM：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 定時(shí)器設(shè)備。Nucleus Plus 的基本定時(shí)單元為一個(gè)Tick，它相當(dāng)于一次硬件定時(shí)器中斷

　　* MB：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 信箱設(shè)備

　　* QM：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 隊(duì)列設(shè)備

　　* PI ：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 管道設(shè)備

　　* SM：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 信號(hào)量設(shè)備

　　* EV：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 事件組設(shè)備

　　* PM：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 分區(qū)內(nèi)存

　　* DM：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 動(dòng)態(tài)內(nèi)存

　　* I/O：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 輸入/輸出

　　* HI：負(fù)責(zé)Nucleus Plus的歷史設(shè)備管理

　　* ER：負(fù)責(zé)管理所有的Nucleus Plus 系統(tǒng)錯(cuò)誤

　　* LI：負(fù)責(zé)Nucleus Plus的許可證管理

　　* RL：負(fù)責(zé)Nucleus Plus 的版本管理

Nucleus Plus 其它功能模塊

    Nucleus Plus 除了其功能強(qiáng)大的內(nèi)核外，還提供了面向INTERNET、TCP/IP、WEB瀏覽器、圖形以及文件系統(tǒng)的軟件包，參閱圖1。

 圖1: Nucleus Plus功能模塊圖

Nucleus Plus 開(kāi)發(fā)

1， Nucleus Plus 定制

    Nucleus Plus 也能根據(jù)目標(biāo)板的需要進(jìn)行裁剪和定制，生成適合目標(biāo)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，盡量少占系統(tǒng)內(nèi)存。OS定制完成后，將其鏈接到目標(biāo)應(yīng)用程序，成為目標(biāo)應(yīng)用程序的一部分。在典型的CISC體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)板上，它占用約20K 左右的空間，而在RISC體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)板上占用約40K左右的空間。一般地，Nucleus Plus 足以滿足絕大多數(shù)的嵌入式應(yīng)用。ATI公司提供了一個(gè)名為BUILD_LI．BAT或PLUS．BAT的批處理文件，用戶可以刪剪其中的模塊，更改相關(guān)的選項(xiàng)或開(kāi)關(guān)，執(zhí)行該文件生成與目標(biāo)相關(guān)的操作系統(tǒng)，也就是根據(jù)系統(tǒng)需要生成定制的操作系統(tǒng)。需要注意的是，該批處理文件的內(nèi)容與開(kāi)發(fā)工具有關(guān)。

 2，開(kāi)發(fā)方案

    Nucleus Plus可以結(jié)合Paradigm、SDS以及ATI的多任務(wù)調(diào)試器組成功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，配合相應(yīng)的編譯器（Borland c/c++ 編譯器、Turbo c/c++ 編譯器或者M(jìn)icrosoft c/c++編譯器）和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以及各類底層驅(qū)動(dòng)軟件就可以滿足嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

3，開(kāi)發(fā)流程

用Nucleus Plus 開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序，一般遵循如下步驟：

　　* 如果有必要，應(yīng)對(duì)低級(jí)系統(tǒng)初始化文件．INT進(jìn)行修改，使之符合目標(biāo)板的需要。如中斷向量、I/O地址、時(shí)鐘頻率等。

　　* 定義Application _Initialize（）函數(shù)。該函數(shù)在啟動(dòng)系統(tǒng)之前先執(zhí)行。注意的是要把NUCLEUS．H頭文件包括在目標(biāo)應(yīng)用程序中，以便利用Nucleus Plus 的服務(wù)。

　　* 定義應(yīng)用程序的任務(wù)。如果調(diào)用Nucleus Plus 的服務(wù)，要把NUCLEUS．H包含進(jìn)去。

　　* 編譯/匯編所有的應(yīng)用程序軟件，并且包含系統(tǒng)低級(jí)初始化文件．INT。

　　* 鏈接．INT和所有的應(yīng)用程序目標(biāo)文件、Nucleus Plus庫(kù)文件以及相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具庫(kù)。

　　* 把生成的最終目標(biāo)代碼下載或燒到目標(biāo)板上執(zhí)行。

4， Nucleus Plus 初始化

    Nucleus Plus 分三個(gè)層次的初始化，即：系統(tǒng)低級(jí)初始化Int-Initialize（）、系統(tǒng)高級(jí)初始化Inc-Initialize（）和應(yīng)用程序初始化Application_Initialize（），初始化之后便進(jìn)入Nucleus Plus 的任務(wù)調(diào)度循環(huán)。各個(gè)初始化函數(shù)任務(wù)見(jiàn)表1。

Int_Initialize（）

Inc_Initialize（）

Application_Initialize（）

　　* 設(shè)置必要的處理器/系統(tǒng)控制寄存器

　　* 初始化中斷向量表

　　* 設(shè)置系統(tǒng)堆棧寄存器

　　* 計(jì)算定時(shí)器HISR堆棧和優(yōu)先級(jí)

　　* 計(jì)算系統(tǒng)第一個(gè)可用內(nèi)存

　　* 將控制交給系統(tǒng)高級(jí)初始化例程

　　* 初始化Nucleus Plus 組件

　　* 將控制交給應(yīng)用程序初始化例程

　　* 任務(wù)調(diào)度

　　* 執(zhí)行用戶定義的初始化，如創(chuàng)建內(nèi)存池，創(chuàng)建任務(wù)、創(chuàng)建信號(hào)量、創(chuàng)建隊(duì)列等

               表1：Nucleus Plus 初始化表

 5， Nucleus MNT

    Nucleus MNT是為軟件開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)的，在WIN95/NT下構(gòu)筑Nucleus Plus嵌入式應(yīng)用的原型（Prototyping）環(huán)境。它通過(guò)兩個(gè)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即針對(duì)目標(biāo)環(huán)境的庫(kù)和針對(duì)Win95/NT開(kāi)發(fā)環(huán)境的庫(kù)。開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)用程序代碼可以不變，僅僅替換掉MNT庫(kù)，使用交叉開(kāi)發(fā)工具包重構(gòu)目標(biāo)環(huán)境下的可執(zhí)行目標(biāo)代碼，請(qǐng)看圖2。

     PROTOTYPING　　　　　　　　　  TARGET

                    圖2：Nucleus MNT

 6， 開(kāi)發(fā)注意事項(xiàng)

    嵌入式開(kāi)發(fā)在內(nèi)存需求、任務(wù)管理等方面存在著特殊性，因此，開(kāi)發(fā)中對(duì)以下方面要額外加以注意，

　　* 任務(wù)饑荒

任務(wù)優(yōu)先級(jí)的分配要合理，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的一些任務(wù)一直不斷地在運(yùn)行而另一些任務(wù)永遠(yuǎn)得不到運(yùn)行，引起饑荒。

　　* 死鎖

系統(tǒng)資源的分配要合理，否則會(huì)引起兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)為競(jìng)爭(zhēng)某一系統(tǒng)資源而處于無(wú)限掛起現(xiàn)象。

　　* 內(nèi)存

　　* 內(nèi)存泄露

內(nèi)存分配過(guò)程中要盡量避免碎片并且要注意及時(shí)回收。

　　* 內(nèi)存節(jié)約

　　* 默認(rèn)情況下，Nucleus Plus， 在高級(jí)初始化函數(shù)Inc_Initialize（）中。調(diào)用其它函數(shù)初始化它所提供的所有特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有些特征用戶目標(biāo)應(yīng)用程序可能用不到，為此，要去掉不必要的函數(shù)調(diào)用。

　　* 改變Nucleus．H中NU_MAX_LISRS的大小，它定義的是目標(biāo)處理器的最大中斷向量數(shù)。

　　* 改變TC_DEFS．H中TC_PRIORITIES的大小。它定義了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)數(shù)。Nucleus Plus 能支持256個(gè)優(yōu)先級(jí)。

　　* HISR棧共享。

　　* TCD．C中禁止查詢表TCD_LOWEST_SET_BIT的RAM拷貝。

　　* 使用一個(gè)更小的INT選項(xiàng)。

結(jié)束語(yǔ)

    由于Nucleus Plus 的模塊化、可靠、重用、開(kāi)放、易用以及安全等特性使得它成為嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的理想平臺(tái)，尤其是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的領(lǐng)域，如航空/航天、軍隊(duì)、國(guó)防等方面。