嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)mC/OS-II的應(yīng)用與新發(fā)展

回顧嵌入式RTOS在我國(guó)應(yīng)用與推廣的歷程，幾年前，RTOS的概念還很少為嵌入式系統(tǒng)工程師接受。這是由于8位單片機(jī)時(shí)代，應(yīng)用程序相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)者使用RTOS的意識(shí)不強(qiáng)；另一方面，商業(yè)RTOS軟件過(guò)于昂貴。兩年前的這個(gè)時(shí)候，筆者應(yīng)《電子產(chǎn)品世界》之邀，在“嵌入式2000”學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出，以免費(fèi)的RTOS—mC/OS的學(xué)習(xí)與應(yīng)用為突破口，提倡“學(xué)習(xí)RTOS，使用RTOS”，不久以后，《mC/0S-II the Real Time Kernel》一書(shū)的中譯本出版了。一些著名的大學(xué)開(kāi)始用mC/0S-II作教材給研究生講述RTOS。
兩年來(lái)，筆者看到很多國(guó)內(nèi)關(guān)于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的雜志，都刊登了關(guān)于mC/OS,mC/0S-II移植與應(yīng)用的文章。這些刊物對(duì)RTOS嵌入式應(yīng)用的推廣功不可沒(méi)。
mC/OS以及mC/0S-II在國(guó)內(nèi)普及與推廣的意義首先是提高了嵌入式工作者對(duì)RTOS的認(rèn)知度，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)使用RTOS的觀(guān)念與意識(shí)，其后才是mC/OS、mC/0S-II本身的實(shí)用價(jià)值。mC/OS、mC/0S-II是一個(gè)小的實(shí)時(shí)內(nèi)核，源碼公開(kāi)，有詳盡的解釋。正是因?yàn)槠湫?，才便于研究、理解和掌握?
兩年來(lái)，筆者除給在校生上課外，也應(yīng)邀為社會(huì)上的用戶(hù)、公司舉辦過(guò)培訓(xùn)與講座，從用戶(hù)反映的問(wèn)題來(lái)看，主要涉及“移植”與“應(yīng)用”這兩個(gè)方面。以下，筆者就如何開(kāi)發(fā)基于mC/0S-II的應(yīng)用軟件和移植過(guò)程中使用的C編譯器問(wèn)題提出一些建議，并簡(jiǎn)要介紹μC/0S-II的最新版本V.2.52和mC/0S-II一書(shū)的第二版，供讀者參考。

基于mC/0S-II的應(yīng)用軟件
由于mC/0S-II的商業(yè)價(jià)值得到了認(rèn)可，一些基于mC/0S-II的商業(yè)軟件也可以買(mǎi)到，如TCP/IP協(xié)議棧、藍(lán)牙通信軟件、紅外通信軟件等(見(jiàn)UCOS-III.com網(wǎng)站)。我們這里說(shuō)的是如何自己開(kāi)發(fā)這類(lèi)應(yīng)用軟件。以TCP/IP協(xié)議棧為例，如果需要全套的TCP/IP功能，可以直接使用嵌入式Linux ，如mCLinux、 RTEMS等。以mCLinux為例，內(nèi)核本身要占用512KB內(nèi)存，TCP/IP部分也有70B至80KB。mC/05II特定的是一個(gè)小內(nèi)核，本身占用內(nèi)存在10KB量級(jí)上。對(duì)于特定的應(yīng)用，嵌入mC/0S-II的產(chǎn)品往往只需要TCP/IP中某一小部分。參照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和一些公開(kāi)出版的圖書(shū)，以及網(wǎng)上的源碼資源，自己寫(xiě)這一部分并非十分困難。舉例說(shuō)來(lái)，如果用戶(hù)已經(jīng)完成了一套基于mC/0S-II的單片機(jī)控制系統(tǒng)，而單片機(jī)仍有一定的剩余負(fù)荷可支持網(wǎng)絡(luò)通信，用戶(hù)希望能通過(guò)Internet網(wǎng)遠(yuǎn)程控制該系統(tǒng)。在硬件上，可以通過(guò)RS-232和Modem撥號(hào)上網(wǎng)，也可以加一片網(wǎng)絡(luò)接口芯片如RTL8019直接上網(wǎng)。軟件開(kāi)發(fā)方面，TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)可以從www.rfc-editor.org中找到，一本不錯(cuò)的參考書(shū)，是英國(guó)人Jeremy Bentham所著《TCP/IP Lean Web Servers for Embedded Systems》。這本約400頁(yè)的書(shū)后所附光盤(pán)中有實(shí)現(xiàn)一個(gè)瘦服務(wù)器的全部源代碼。書(shū)中以Microchip的8位單片機(jī)PIC16CF6為例，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)通過(guò)Modem撥號(hào)上網(wǎng)的功能。參照上述資料，我們?cè)?位、16位、32位 Motorola單片機(jī)上也實(shí)現(xiàn)了通過(guò)RTL8019 Internet網(wǎng)接口芯片直接上網(wǎng)的功能。在寫(xiě)這些軟件時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，在mC/0S-II下寫(xiě)TCP/IP通信軟件，比傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)要方便很多。單片機(jī)要在完成原來(lái)控制系統(tǒng)功能的前提下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，又是發(fā)送又是接收，沒(méi)有RTOS支持簡(jiǎn)直不可想象。從代碼長(zhǎng)度看，實(shí)現(xiàn)基本功能的TCP/IP協(xié)議棧只需要大約7KB目標(biāo)代碼，比使用mCLinux顯然有優(yōu)勢(shì)。上面提到的瘦服務(wù)器(Lean Server)一書(shū)是一本暢銷(xiāo)書(shū)，其第二版已經(jīng)出版了，據(jù)悉機(jī)械工業(yè)出版社已購(gòu)買(mǎi)了中譯本版權(quán)，希望不久的將來(lái)能見(jiàn)到該書(shū)的中譯本。

mC/0S-II的移植
mC/0S-II是專(zhuān)門(mén)為單片機(jī)嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，主體用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言寫(xiě)成，可移植性極好。目前已被成功地移植到四十多種CPU上，包括8位、16位、32位及64位單片機(jī)，包括若干種DSP，因?yàn)橐浦驳姆独蠖嗫梢詮木W(wǎng)上下載，故移植起來(lái)并不困難。綜合來(lái)自各方面的反映，移植難度并不在于mC/0S-II源代碼本身，而在于不同用戶(hù)使用了不同的C編譯器，由于編譯器的差異而引發(fā)的移植方面的問(wèn)題有時(shí)很難得到友人的幫助。而對(duì)于嵌入式應(yīng)用潛在市場(chǎng)群體—正在高校就讀的研究生們說(shuō)來(lái)，困難還在于：幾乎所有用于單片機(jī)的C編譯器都是商業(yè)軟件，其中有些還相當(dāng)貴。
使用自由軟件Linux下的C語(yǔ)言交叉編譯器GNU gcc作為開(kāi)發(fā)工具來(lái)編譯移植mC/0S-II是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。使用自由軟件開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用的意義決不僅限于經(jīng)濟(jì)上節(jié)省開(kāi)支。學(xué)習(xí)使用自由軟件過(guò)程，實(shí)際上是培養(yǎng)IT高手的過(guò)程。自由軟件將造就一大批有共同語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)精英，GNU gcc交叉編譯工具支持大多數(shù)知名的16位、32位嵌入式應(yīng)用CPU，如Motorola的68HC11/12、M68K、CPU32、ColdFire 、PowerPC，AMD的AMD29K，Intel的i386、Intel960，其它如著名的ARM、Thumb、M32、MIPS、RT、SPARC、DEC的Alpha、VAX等，還包括TI的TMS32 DSP等。
自由軟件有強(qiáng)大的網(wǎng)上技術(shù)支持是公認(rèn)的，不斷推出的升級(jí)版本表明自由軟件的強(qiáng)大生命力。使用GNU gcc作為交叉編譯器的難點(diǎn)不在于交叉編譯器的用法本身，而在于搭建Linux下的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這一部分工作在國(guó)外一般由專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)管理員來(lái)做。而國(guó)內(nèi)由于公司的規(guī)模較小，往往沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)管理員，這部分工作要自己做，從而增加了Linux系統(tǒng)下自由軟件的使用難度。使用中的另一個(gè)難點(diǎn)是，遇到問(wèn)題時(shí)常常不知道如何處理。要學(xué)會(huì)看系統(tǒng)提供的幫助信息，向Linux的高手請(qǐng)教，校園內(nèi)利用BBS的交流是一種學(xué)習(xí)的極好方式。還有一個(gè)辦法是在網(wǎng)上搜索，因?yàn)槟阌龅降膯?wèn)題也許過(guò)去別人也遇到過(guò)，解決辦法可能網(wǎng)上就有。再有一個(gè)辦法就是直接給作者發(fā)電子郵件。自由軟件有源碼，大多都有作者的Email地址。
如果mC/0S-II的移植以GNU gcc交叉編譯器為基礎(chǔ)，討論起來(lái)共同語(yǔ)言會(huì)更多些，移植會(huì)更容易。
一些芯片生產(chǎn)商在推出其嵌入式應(yīng)用芯片的同時(shí)就提供了mC/0S-II的移植代碼，如Motorola的16位DSP 56800系列，移植代碼包含在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具SDK中，C編譯器采用其子公司metrowerks的Codewarrior。
雖然移植不難有現(xiàn)成的例子可參考，但筆者仍認(rèn)為移植是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)過(guò)程，這一過(guò)程的意義遠(yuǎn)大于移植后的結(jié)果。這一過(guò)程有助于提高對(duì)RTOS的認(rèn)識(shí)與理解，從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。
mC/0S-II的新進(jìn)展
兩年前，我們介紹給讀者的mC/0S-II是mC/0S-II最初的版本，它以軟盤(pán)的形式附在《mC/0S-II The Real Time Kernel》一書(shū)的后面。該書(shū)中譯本所附的光盤(pán)中也是這個(gè)版本。該版本稱(chēng)作V.2.0版本。V.2.0以下的版本指mC/OS。在V.2.0基礎(chǔ)上稍做改動(dòng)的版本是V.2.04，出現(xiàn)在2000年11月。到2001年6月，作者推出了V2.51版本。在這一版本中，主要增加的新功能有：互斥型信號(hào)量和事件標(biāo)志。
今年上半年，CMP公司出版了《mC/0S-IIThe Real Timce Kernel》的第二版。書(shū)中所附光盤(pán)中給出了mC/0S-II VV2.52版的源代碼。版本V2.52在V2.51的基礎(chǔ)上做了多處修改。比起該書(shū)第一版，新版的mC/0S-II一書(shū)增加了很多新內(nèi)容，如介紹系統(tǒng)服務(wù)，第一版中只用了一條來(lái)描述，而新版書(shū)中擴(kuò)展到6條。在如何移植mC/0S-II這一條中，增加了移植后如何測(cè)試mC/0S-II(詳見(jiàn)www.ucos-ii.com網(wǎng)站)。
據(jù)說(shuō)國(guó)內(nèi)某出版社正在與CMP公司商討購(gòu)買(mǎi)中譯本版權(quán)的事，《mC/0S-III The Real Time Kernel》一書(shū)的新版中譯本，以及最新mC/0S-II V2.52有望在不久的將來(lái)與中國(guó)讀者見(jiàn)面。■
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