嵌入式实时操作系统的RAM盘扩展

    摘要：介绍了一种在嵌入式实时操作系统内核（以下简称实时内核）上实现RAM盘的方法，配合接受用户命令的Shell任务，可实现嵌入式系统的多任务动态加载和监控，扩展了实时内核的应用领域。实时内核采用目前十分流行的免费内核μC/OS-Ⅱ，硬件不台为通用现场总线控制器系统。

    关键词：μC/OS-Ⅱ内核 嵌入式系统 通用现场总线控制器（GPFC） ColdFire

1 嵌入式RTOS

目前，嵌入式RTOS的应用领域越来越广泛。已经有80多个RTOS厂商生产面向8位、16位、32位、甚至64位微处理器的RTOS产品。商业的实时操作系统如VxWorks,pSOS，VRTX，WindowsCE等功能完善，提供了完备的开发环境，但大多价格昂贵，不提供源代码（即所谓的黑箱）。用户不了解其工作机制，更不能进行修改和扩展。某些商业系统还要求用户在产品投产后继续支付软件费用。这对于国内的用户开发中小应用系统来说，是一项沉重的负担。而采用开放源代码的实时内核不失为一种选择。开放源代码的另一个好处是用户可以根据具体需要删改和扩展功能。本文将以μC/OS-Ⅱ在通用网络控制器上的应用为例，说明开放源代码的实时内核在可扩展性方面的优点，以及笔者在使用中的一些心得体会。

2 通用现场总线控制器

GPFC（General Purpose Field bus Controller）——通用现场总线控制器是用于加速器数据采集系统中的网络控制器，由德国国家同步辐射实验室（DESY）Dr.Clausen Matthias领导的研究小组开发。用于不同种类的现场总线、以太网之间的通讯控制，功能相当于不同类型子网之间的网关（关于GPFC的技术细节，感兴趣的读者可以查询DESY的主页http://www.desy.de）。系统微控制器采用Motorola公司68K家庭的32位MCU ColdFire 5206E。在33MHz总线频率下能达到17MIPS的处理能力。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MCU内部，使得外转帐电路室得十分简单。系统配有32MB DRAM和1MB Flash RAM，并有两个网络接口A和B。该系统的硬件设计非常灵活，网络接口配以不同的驱动电路，可支持以太网、CAN、Profibus、MIL1553等多种现场总线，实现网络间的连接和控制。只要采用不同的网络协议，就可以连接不同的子网，实现不同的控制。GPFC配以不同的网络模块可以替代目前广泛使用的VME工控系统，由于舍弃了VME昂贵的机箱、总线板，大幅度减低了主机成本。GPFC系统结构示意如图1所示。

3 在GPFC上运行RTOS

GPFC的系统软件基于嵌入式实时操作系统，国外是在VxWorks上开发的，主要是两个独立的任务分别处理两个网络接口的通讯协议。为了扩展GPFC的应用范围，系统软件包中包含了各种可能用的网络协议，都以独立的任务形式存在。用不上的任务处于休眠状态，如果需要连接某种类型的网络，只要运行针对某种网络协议的任务就行了。

VxWorks价格昂贵，在国内买一套要几十万元人民币。为了满足国内应用要求，笔者希望寻找一种廉价的实时内核，一方面可降低软件方面的成本，同时可根据自己折需要定制软件。经过调研，决定采用当前十分流行的μC/OS-Ⅱ作为实时内核。

μC/OS-Ⅱ是基于优先级的抢占式实时多任务内核，其绝大部分代码是由C写成的。目前已经应用于包括Motorola 68000系列，以及Intel 80x86等各种处理器上，在世界控制领域取得了一席之地。μC/OS-Ⅱ的可应用领域非常广阔，涵盖了几乎所有的实时应用。μC/OS-Ⅱ是完全免费的，全部源代码都可以从Internet上获得。

μC/OS-Ⅱ是面向中小型嵌入式系统的。如果包含全部的功能模块（信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数），编译后的μC/OS-Ⅱ内核大约有6KB；如果只保留最核心的代码，则可压缩到3KB，这使得μC/OS-Ⅱ可以用于更小模块的应用系统。同时，由于系统的可扩展性，稍加修改可以用于更大模块的系统上。RAM的占用与系统中的任务数有关，任务的堆栈要占用大量的RAM空间，堆栈的大小取决于任务的局部变量、缓冲区大小及可能的中断嵌套的层数。对于一般的中小系统，任务堆栈可以取几百字节到几千字节。对于频率中断和高吞吐率的系统，要为任务预留足够的堆栈空间。本系统中为每个任务分配了512KB的堆栈文凭间，并有堆栈越界检查。

采用μC/OS-Ⅱ所遇到的主要问题是μC/OS-Ⅱ本身不带文件系统，缺乏调试工具和手段。为了方便调试和日后的管理操作，基于μC/OS-Ⅱ的开放源代码和可扩展性，笔者将Linux的RAM盘、文件系统和用户Shell移植到合并μC/OS-Ⅱ上并编写了内存管理模块，实现内存的动态分配和释放。系统中运行的任务可以对RAM盘进行文件操作，文件系统可以为任务保存数据并提供了统一的接口。通过Shell任务，用户可以登录到系统中，运行或者挂起任务，以处理不同的通讯协议，实现任务的动态管理。在调试过程中，可以通过命令查看各个任务的运行状态。而任务以文件的形式保存在RAM盘中，不同种类的任务保存在不同的目录中，方便了管理和维护。

4 RAM盘的扩展方法

RAM盘采用了和Linux EXT2系统类似的文件系统。EXT2是一种高效、安全的文件系统。图2是EXT2的逻辑布局。它由一个引导块和重复的块组组成，每个块组又由超级块、组描述符表、块位图、索引节点位图、索引节点表、数据区组成。文件以树型目录形式组成。不同点在于磁盘文件系统的操作单元是磁盘块，而RAM盘所操作的单元是内存块。在笔者为GPFC设计的RAM盘中，将内存最高端的4MB划分为RAM盘空间，每一个逻辑块为512字节。限于篇幅所限，关于EXT2系统的细节，请感兴趣的读者参考有关Linux文件系统的资源，本文主要介绍如何在RAM盘中实现及主要的数据结构。

其中引导块存系统的引导代码，由于RAM盘不用来引导系统，所以可不必设定引导块。超级块用来存放EXT2文件系统整体信息的数据结构，是EXT2的核心所在。超级块记录文件系统当前状态，盘有多大，能存放多少文件，何处可以找找到空闲和用于文件系统管理的信息。用于管理磁盘的超级块非常复杂，用于RAM盘则可对其进行简化，简化后的ram_super_block结构如下：

struct ram_super_block

{

long s_inodes_count; /*文件系统中节点总线*/

long s_blocks_count; /*文件系统中的块总数*/

long s_r_blocks_cout; /*为超级用户保留的块数*/

long s_free_blocks_count; /*文件系统中空闲块总数*/

long s_free_inodes_coutnt;/*文件系统中空闲节点总数*/

long s_first_data_block; /*文件系统中的第一个数据块*/

long s_log_block_size; /*系统逻辑块的大小*/

short s_inode_size; /*索引节点结构的大小*/

short s_state；/*文件系统的状态*/

time_t s_wtime；/*超级块最后一次修改的时间*/

}

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dinode。访问文件，其它就是寻找文件对应的索引节点。索引节点集中保存在索引节点表中，索引节点表的第一顶固定为根目录对应的索引节点。用于管理RAM盘文件的dinode定义如下：

struct Dinode{

short di_node; /*文件模式：是文件还是目录，是可读、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*/

}

块位图、索引节点位图用于查找空闲的RAM盘内存块和索引节点表现。

与文件访问过程相关的一个主要函数为i_name(),其输入参数为希望访问的文件路径名，输出值为文件对应的索引节点号。获得了文件的索引节点号，就可以在索引节点表中找到该节点，从节点的数据结构中就可以知道文件的种类、存储位置等信息，进一步就可以读写操作。

RAM盘属于Linux标准设备中的块设备。作为标准设备，Linux提供了通用的接口函数。用户可以直接调用标准接口函数对RAM盘进行操作：

#include

#include

#include

#include

int open(const char pathname,int flag); /*打开文件，返回文件描述符*/

int close(int fd); /*关闭文件*/

int read(int fd,void buf,int count); /*从文件中读出数据到缓冲区，返回读出的字节数*/

int write(int fd,void buf,int count)；/*从缓冲区写数据到文件，返回写入字节数*/

5 用户Shell的扩展与实现

用户Shell是一个在μC/OS-Ⅱ下独立运行的任务。Shell启动后，完成一些必要的初始化操作，进入挂起状态，等待用户登录和输入。用户从终端上输入命令后将唤醒Shell，在笔者设计的Shell程序中可接受的命令包括：cd(改变RAM盘当前目录)，pwd（显示RAM盘当前目录），mkdir、rmdir（在RAM盘创立或删除目录），ps(显示当前系统中任务状态)，kill(终止一一个任务的运行)。处理不同通讯协议的任务分别以可执行文件形式保存在RAM盘上不同的目录中。如果在Shell中键入任务的名称，Shell会在当前目录下查找是否有匹配的可执行文件。如果有，则调用μC/OS-Ⅱ中的系统函数OSTaskCreate创立一个新的任务，否则返回错误信息。也可以使用kill命令，调用系统函数OSTaskDel终止一个任务的运行。在程序的调试期间，可以使用ps命令查看任务运行状态。

由于μC/OS-Ⅱ的内存管理功能有限，OSTaskCreate函数不能动态分配堆栈空间，OSTaskDel也不能释放任务的堆栈空间。为此，笔者重新编写了内存管理模块，采用页方式和首次拟合算法实现内存的动态管理。每一内存页为2KB，系统的内存资源由一个双向链表进行管理。任务函数可调用OSMemAlloc()t OSMemFree()分配释放自己所占的内存空间。OSMemAlloc()在空闲内存链表中查询每一个符合要求的内存块，并分配给任务。而OSMemFree()则是将释放后的内存块重新添加进空闲内存链表中。