uCOS的应用与扩展

摘要：本文介绍了μC/OS在ColdFire为核心系统上的具体应用，并在此基础上做了扩展，
在μC/OS的核心上实现了RAM盘和文件系统。为了方便应用和调试，还实现了用户Shell程
序，可以接受并执行用户命令，扩展并丰富了μC/OS的功能。
关键字：μC/OS ，uCLinux，嵌入式系统，ColdFire。

概述：
近年来，随着微控制器性能的不断提高，嵌入式应用越来越广泛。目前市场上的大型商用
嵌入式实时系统，如VERTEX，VXWORK，PSOS等等，已经十分成熟，并为用户提供了强有力
的开发和调试工具。但商用嵌入式实时系统价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。对于国
内中小型系统的开发，购买商用实时系统并不划算。此时，采用免费软件和开放代码不失
为一种选择。目前源码开放（C代码）的嵌入式系统有μC/OS和uCLinux，μC/OS简单易学
，提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以
获得更高的执行效率。但是μC/OS相对商用嵌入式系统来说还是过于简单，而且存在开发
调试困难的问题。uCLinux是自由软件运动的产物，包含丰富的功能，包括文件系统、各种
外设的驱动程序、通讯模块，TCP/IP，PPP，HTTP，甚至WEB服务器的代码。在INTERNET上
流传的uCLinux已经被移植到当前几乎所有的硬件平台上，功能与PC机上运行的Linux不相
上下，其代码也十分复杂。完全移植没有必要也十分困难，但uCLinux的代码经过世界范围
内的优化，稳定可靠而且高效，所有模块的代码都可以从INTERNET上获得。可以进行模块
移植。在本例应用中，笔者在ColdFire硬件平台上运行了μC/OS的核心，并实现了uCLinu
x 的文件系统。使得在嵌入式应用中可以进行文件操作。同时针对μC/OS调试困难的问题

，还移植了uCLinux的用户Shell，使得用户可以用命令行方式进行程序的调试和开发。
硬件平台：
本系统的硬件平台采用GPFC（General Purpose Fieldbus Controller）数据采集系统，该
系统是由德国汉堡国家同步辐射实验室(DESY) Dr. Clausen Matthias领导的研究小组开发
。采用Motorola公司的ColdFire MCF5206处理器为核心。ColdFire MCF5206处理器属于Mo
torola 32位MCU家族，在源码上与68K兼容。全静态设计，在33MHZ的工作频率下可达最大
17MIPS的处理能力。除了具有68K系列的通用功能外模块，片内还带有DRAM控制模块，可以
直接外接DRAM芯片。由于ColdFire将片选逻辑电路，总线控制器，DRAM控制模块等全部集
成在了MCU内部，使得外围电路变的十分简单。
在笔者所用的GPFC系统中，ColdFire工作中在32MHZ，外围电路包括两片DRAM芯片＃ 共计
4M的RAM，一片128K的FLASH，用于存放引导程序。其余为I/O电路。系统通过RS-232串口与
PC机相连。

软件设计：
本系统的软件采用μC/OS为嵌入式平台。在应用中切实感到了开放源代码的无可替代的优
点：首先是可以根据自己的需要对源代码进行取舍，去掉不需要的变量和不使用的函数。
甚至可以根据需要改写相关函数。在μC/OS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。例如和信号量有关的函数在执行前都会检查一下传递给函数的
指针是不是一个有效的信号量指针。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，提高函数的执行速度，尤其是一些频繁调用的函数，或当MCU速度不高
的时候，重写部分函数往往可以显著提高系统性能。另外，由于用户对系统有源码级的了
解，可以添加自己编写的模块，与原系统兼容，使系统具有可扩展性。
正是由于μC/OS的可扩展性，笔者将uCLinux的RAM盘、文件系统和用户 Shell移植到了μ
C/OS上，在用户程序中可以进行文件操作，文件系统可以为任务保存数据，并提供了统一
的接口函数。用户编制的单个任务也可以保存在RAM盘上，可以在终端上用命令方式运行、
监控、删除任务。

文件系统：
uCLinux的文件系统与Linux的基本相同，文件以树型目录组织。由于篇幅所限，关于文件
系统的细节，读者可参考Linux和Unix的相关资料。本例中将RAM中高端的1M分配给文件系
统，建立了容量为1M的RAM盘。uCLinux的文件系统由逻辑块组成，如果是磁盘文件系统，
对应为磁盘块；RAM盘则对应为内存块，每个块为512字节。一个标准的逻辑盘划分成几个
部分：引导块、超级块、索引节点区和数据区。

图1 文件系统的布局
引导块在文件系统的开头，通常为一个逻辑块，存放引导程序，用于启动和引导操作系统
。在我们的RAM文件系统中由于不需要RAM盘引导，所以不分配引导块。超级块记录文件系
统当前状态，盘有多大，能存放多少文件，何处可以找到空闲空间和用于文件系统管理的
信息。索引节点区紧接在超级块后面，存放文件系统的索引节点表。在文件系统中每一个
文件（包含目录）占据一个索引节点表项。索引节点是一个记录文件信息的数据结构：
struct dinode{
short di_mode; /*文件模式：是文件还是目录，是可可读、可写还是可执行*
short di_nlink; /*和文件相关的链接数*/
short di_uid; /*文件所有者的标示*/
short di_gid; /*文件所有者的组标示*/
long di_size; /*文件大小*/
char di_addr[ ]; /*文件数据所在的逻辑块编号*/
time_t di_atime; /*文件最后一次访问的时间*/
time_t di_mtime; /*文件最后一次修改的时间*/
time_t di_ctime; /*文件建立的时间*/
}
其中的数组di_addr[ ]记录文件数据所在的逻辑块号。本例中RAM盘为1M，每个逻辑块512
字节，共2048个逻辑块，所以每个逻辑块的编号要用两个字节表示。为了记录足够长的文
件，di_addr[ ]中的逻辑块可分为直接块和间接块，关于直接块和间接块的概念，请读者
参考Linux的相关文档。分析索引节点可知，通过索引节点就可以完全确定一个文件。索引
节点表中的第一项就是根目录。索引节点区的大小决定了文件系统中最多能有多少个文件
（包括目录）。在本例中，笔者设定为128项。在索引节点区后就是数据区，数据区以逻辑
块为单位按次序编号。如果要访问某个文件，只要找到该文件对应的索引节点表项，从di
_addr[]项中就可以查出文件数据所在的逻辑块。文件的访问需要通过fread()或fwrite（
）函数，其细节不再复述。
添加了文件系统后，任务的运行将和文件相关，所以TCB（任务控制块）要做相应的修改。
需要添加任务所在目录项和任务打开文件项。当一个任务调用OSTaskCreate创立新的任务
的时候，子任务应该继承先前任务的目录项和任务打开文件项。

用户Shell：
用户Shell实际上是一个在μC/OS下独立运行的任务，处于最低的优先级。Shell启动后，
进入睡眠状态，等待用户输入。用户从终端上输入命令后将唤醒Shell，Shell首先检测输
入命令是不是内部命令，如果不是，则在TCB中查询当前所在文件目录，然后在目录中查询
是否有与输入匹配的文件，如果有且文件属性为可执行时，则调用OSTaskCreate创立一个
新的任务。由于Shell优先级为最低，新创建的任务将马上运行。新任务执行完后可以用O
STaskDel删除自己。如果在当前目录中找不到匹配项，则返回错误信息。
在本例中，Shell中包含的内部命令为cd（改变当前目录），pwd（显示当前工作目录），
mkdir，rmdir（创立删除目录），ps（显示当前系统中的任务），kill（删除任务）。
由于μC/OS 中的OSTaskCreate不能动态分配堆栈空间，OSTaskDel也不能释放任务的堆栈
空间。为了实现Shell的加载和删除任务的功能，笔者对上述两个函数进行了改写，添加了
内存管理函数malloc（）和mfree（）。为了简单起见，以8K为单位申请和释放内存块。系
统的内存资源由一个双向链表进行管理。在OSTaskCreate中调用malloc（），参数为希望
分配的内存块数，malloc（）将检索内存管理的双向链表，返回空闲块地址。而OSTaskDe
l中将调用mfree（）释放内存，重新加入双向链表。为了避免内存空洞，在Shell中启动的
任务采用相同大小的堆栈。
通过用户Shell，单独的任务可以保存在RAM盘上，通过命令方式运行、监控，查看任务状
态、删除任务，作为一种有力的开发和调试手段。

结束语：
μC/OS的出现和应用也只是近年来的事，其迅猛的发展证明了开放源码软件的巨大大生命
。相信经过广大用户的不断丰富和完善，μC/OS的功能将日趋成熟，应用也会更加广阔。