源码公开的嵌入式系统软件资源

长期以来，价格因素限制了RTOS在我国嵌入式应用产品开发中的推广与普及。而随着操作系统走向开放，越来越多的带源代码的自由软件得到了广泛的认可与应用，其中最著名的是Linux。 Linux 不是实时的，于是出现了RTLinux, （详见 www.fsmlabs.com ） RTLinux 是实时的，但不是为嵌入式应用设计的。Linux 也不是为嵌入式应用设计的，于是出现了嵌入式Linux, 如uCLinux, （详见 www.uclinux.org ）, uCLinux 在Linux基础上做了简化，去掉了多用户及虚拟内存管理等，适用于嵌入式应用类CPU，内核较Linux 小了很多，但仍有500kb之大。uCLiunx是为嵌入式应用设计的，但不是实时的。另一个著名的RTOS自由软件是RTEMS (Real-Time Executive for Missile Systems) 最初用于美国的导弹系统，（详见 www.oarcorp.com/RTEMS ）OARCorp 的含义是On-Line Applications Research Corporation , TREMS是实时的，最初并不是为嵌入式应用设计的，是为多处理器应用设计的, C语言版本意为实时多处理系统，Real-Time Executive for Multiprocessor Systems (C Version)，其ada语言版本后来扩展到军方其他应用，字母M的含义由导弹Missile 变为军事Military (ada Version) 。 RTEMS 可以用于嵌入式应用，但应为RTEMS总是要基于POSIX API 标准，嵌入到片上系统难度相当大。 这类自由软件出自于写Unix的专家里手，功能强，性能稳定可靠，虽然有源码，但因程序量大、版本多，非Linux高手难以掌握。且相应的内核较大，有数百K之多，不易裁剪至嵌入到单片机中去，以实现片上系统（SOC）。一些商业软件商将Linux 改头换面包装上市，于是出现了各种各样的阿猫阿狗Linux， 如blue cat Linux, Yellow dog Linux ……有些价格还不低。 Linux源码公开并不神秘，但由于代码浩瀚，用于学习与研究实属不易。而无论在嵌入式产品开发中使用还是不使用RTOS，学习和掌握RTOS的原理和设计思想都至关重要。专门为嵌入式应用设计的RTOS，?C/OS和 ?C/OS－II 则不仅实用而且是难得的入门教材。?C/OS 是免费软件， 关于?C/OS的第一本书是1992年出版的，世界上数以千计的工程技术人员已将?C/OS成功地移植到了几乎所有知名的CUP上，并应用到了各个应用领域。 由于?C/OS的商业价值得到了认可，?C/OS－II用于教育仍免费，商用则要许可证了 。1998年，“?C/OS－Ⅱ The Real Time Kernel”一书出版。在2年前的“嵌入式2000学术研讨会”上，我介绍了?C/OS和 ?C/OS－Ⅱ，引起了国内人士的广泛注视，中译本<>于2001年8月出版。我校已在嵌入式系统与单片机课程中用这本书作教材。不少会议要我去讲解?C/OS－II，一些公司邀我去为他们的技术人员做?C/OS－II的培训，尽管用的那些CPU我并不熟悉，共同学习并将?C/OS－II移植到一个自己不熟悉的CPU上 也是件非常有趣的事。 ?C/OS－Ⅱ是一部出色的教材。书中不但给出了一个实时内核的全部源代码，而且对这些代码做了详尽的解释。书中还对实时操作系统中的一些基本概念做了详细的描述。源程序的写作风格、注释都相当漂亮、规范。商业软件不仅仅是贵，而即使有些软件带源代码一起出售，也没有哪一个解释的如此详尽。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ是专门为嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言写的，总量约200行。汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。许多移植的范例可以从网站上得到。用户只要有C交叉编译器，就可以将?C/OS－Ⅱ嵌入到开发的产品中。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ是占先式（Preemptive）多任务实时内核，是基于优先级的，即总是让进入就绪态的诸任务中优先级最高的那个任务先运行。每个任务都有互不相同的优先级。最多支持64个任务。所有?C/OS及?C/OS－Ⅱ提供的系统服务函数的执行时间都是可知的。除了一个函数以外，所有函数的执行时间都与任务数目无关。都不大于某一确定值。 ?C/OS和?C/OS－Ⅱ的另一特点是可裁剪，即只嵌入用户程序用得着的那些函数，内核占用的ROM/RAM资源，可以依据产品调整。 “?C/OS－Ⅱ the Real Time Kernel”一书和其相应的中文本，书后所附的软件版本是?C/OS－Ⅱ V2.00。到2001年6月，网上出售的?C/OS－Ⅱ的源代码更新到了2.51。今年上半年，“?C/OS－Ⅱ The Real Time Kernel”一书的第2版又出版了，书中附了?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，如互斥型信号量，事件标志等，新书在讲述?C/OS－Ⅱ方面增加了很多新内容，如介绍任务间的通讯与同步，新版书由原来的1章增加到了6章，特别是在移植?C/OS－Ⅱ一章中，介绍了移植后如何测试（详见 www.ucos-ii.com ）。有关出版社正在联系购买版权的事，相信不久的将来新版?C/OS－Ⅱ的中译本就会在国内与读者见面。 在?C/OS和?C/OS－Ⅱ的学习与应用中听到最多的反映是两类问题，一类是关于移植，另一类是有关基于?C/OS－Ⅱ的应用程序。 关于移植，网上有40余种CPU移植的范例，包括8、16、32乃至64位CPU与DSP。从来自各方面的反映来看，移植难度并不在于?C/OS－Ⅱ本身，问题大多是由于C编译器不同引起的。而对于高校正在就读的研究生说来，困难还在于几乎所有单片机用的C编译器都是商业软件，有些还相当贵。我们遇到的问题是，某正版商业软件用得好好的，忽然这个公司没有了，新推出的单片机不支持了。 使用自由软件Linux 下的 GNU gcc 交叉 C 编译器作为开发工具来编译、移植?C/OS－Ⅱ是一个不错的选择。其意义决不仅限于节省开支，学习使用自由软件的过程实际也是打造IT 高手的过程。GNU gcc 支持几乎所有知名16位、32位CPU。 Linux 下自由软件好用，有强大的网上技术支持是公认的，GNU gcc 的使用难点不在于交叉编译器本身，而在于开发环境的配置。一旦系统开发环境建立起来了，会用了，从长远看还是很值得的。基于同一编译器，移植?C/OS－Ⅱ将变得没有什么可讨论的。 ?C/OS－Ⅱ下的应用程序，问得最多的是关于TCP/IP 协议栈。虽然有相关商业软件可以买到，但对于确定的嵌入式应用，只用到CP/IP 协议栈其中一小部分时，我们仍主张自己写。Jeremy Bentham 著，“TC/PIP Lean Web Servers for Embedded System” (详见www.cmpbooks.com) 给出了使用8位单片机拨号上网的例子。书中介绍了如何写TCP/IP 协议栈，并附有C程序（该出中并没有使用任何TROS）。参考这本书，我们用Motorola 8位、16位和32位单片机实现了通过以太网接口芯片直接上网。网络协议可以在 www.rfc-editor.org 网站上找到。对于8位单片机68HC08，TCP/IP 部分目标代码只有7kb左右。对于68HC11/12、CPU32、ColdFire等16、32位单片机，写这一类程序时你就会发现，在RTOS ?C/OS－Ⅱ 支持下来做这件事是多么舒服。CPU要完成原来在控制系统中应该完成的任务，又要同时管理网络的发送和接受，没有实时操作系统支持简直不可想向。 RTOS是计算机专家们多年潜心研究的成果，使用RTOS不仅增加了嵌入式应用系统的可靠性，而且对关键事件的处理在延迟时间上有保证，即系统的实时性可以达到理论上可以达到的最优值。 RTOS支持多任务，应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易，便于维护，易读易懂，提高了开发效率，缩短了开发周期。而说到使用RTOS的缺点主要表现于RTOS本身要占用一定的资源，需要额外的ROM/RAM空间来运行RTOS本身。这对于一些内存十分有限、且只能工作在单片方式的单片机来说会受到限制。无论使用还是不使用RTOS，学习RTOS的基本思想都是必要的，即使您买了著名的商业RTOS，也不妨学习、研究一下?C/OS－Ⅱ这个小内核，会对用好那个商业RTOS有帮助。 RTOS是开发嵌入式产品的有力武器，RTOS的应用将推广到各个嵌入式应用的各个领域。学习RTOS，使用RTOS，我们全民族的微计算机嵌入式应用技术水平将会迈上一个新的台阶。