基于固件技術(shù)的mbedOS駐留方法

劉長(zhǎng)勇，王宜懷，孫亞軍

(1.武夷學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006；3.武夷學(xué)院 認(rèn)知計(jì)算與智能信息處理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 武夷山 354300)

0 引 言

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real-time operating system，RTOS)的運(yùn)用不僅能有效合理地利用現(xiàn)有的CPU資源，而且能簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用[1]，保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。那么如何發(fā)揮RTOS作用和優(yōu)勢(shì)，采用何種技術(shù)實(shí)現(xiàn)RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的駐留，實(shí)現(xiàn)RTOS與應(yīng)用程序分開編譯，是有一定難度且值得研究的問(wèn)題，可以采用嵌入式固件技術(shù)，將RTOS與應(yīng)用程序進(jìn)行物理隔離，固化在非易失存儲(chǔ)器(如Flash)中[2]。目前，在操作系統(tǒng)的應(yīng)用及駐留等方面已有部分工作者做了一些基本的研究工作，如唐鵬程等[3]提出了一種基于IAP技術(shù)的STM32單片機(jī)在線固件升級(jí)方案；王運(yùn)盛等[4]以VxWorks 653分區(qū)操作系統(tǒng)作為研究對(duì)象，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言來(lái)分析和說(shuō)明分區(qū)的配置和啟動(dòng)機(jī)制，為理解分區(qū)和駐留應(yīng)用提供了參考；薛芳芳等[5]參考ARINC702A的分區(qū)要求，研究了FMS軟件的駐留規(guī)則，提出了分區(qū)設(shè)計(jì)和駐留方案，最后給出了測(cè)試方法；Wang H等[6]采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，在ARM內(nèi)核的處理器上開發(fā)了蛇狀機(jī)器人，并給出了步態(tài)規(guī)劃算法；常華利等[7]提出了一種基于MicroBlaze 軟核處理器的μC/OS-Ⅱ的移植方案；馬書紅[8]利用集成電路技術(shù)和密碼學(xué)原理，提出了一種將數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固化于TPM安全芯片的方法。

mbedOS是專門為使用Arm微控制器的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備而設(shè)計(jì)的開源操作系統(tǒng)[9]，支持確定性、多線程、實(shí)時(shí)性等，廣泛應(yīng)用于協(xié)議棧和IP網(wǎng)絡(luò)組件[10]、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)[11]、通信技術(shù)和安全訪問(wèn)服務(wù)機(jī)制[12]等方面。依據(jù)固件技術(shù)的設(shè)計(jì)原則，本文基于通用嵌入式計(jì)算機(jī)架構(gòu)，在合理劃分Flash和RAM空間的基礎(chǔ)上，研究mbedOS駐留的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將mbedOS與應(yīng)用程序分開編譯，達(dá)到快速編譯的目的。同時(shí)，也為用戶提供函數(shù)原型級(jí)的對(duì)外接口技術(shù)和調(diào)用方法，方便用戶對(duì)任務(wù)函數(shù)的使用，降低了開發(fā)門檻、節(jié)省了編譯時(shí)間、提高了寫入速度，從而提高應(yīng)用程序的健壯性、實(shí)時(shí)性和可移植性，為學(xué)習(xí)和使用mbedOS提供了基礎(chǔ)，也為mbedOS的駐留提供了一種解決方案。

1 GEC架構(gòu)簡(jiǎn)介

為了提升編程顆粒度、提高可移植性，借鑒通用計(jì)算機(jī)(general computer)的概念與做法，把基本輸入輸出系統(tǒng)(basic input and output system，BIOS)與用戶程序分離開來(lái)，實(shí)現(xiàn)徹底的工作分工，形成了通用嵌入式計(jì)算機(jī)(general embedded computer，GEC)[13]。GEC架構(gòu)將嵌入式軟件系統(tǒng)分為BIOS工程程序(簡(jiǎn)稱BIOS)和USER工程程序(簡(jiǎn)稱USER)兩部分，BIOS先于USER固化于微控制器(microcontroller unit，MCU)內(nèi)的非易失存儲(chǔ)器(如Flash)中，啟動(dòng)時(shí)BIOS先運(yùn)行，隨后轉(zhuǎn)向USER，最后由USER啟動(dòng)mbedOS。基于GEC架構(gòu)，將mbedOS駐留在BIOS中有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)降低編程難度。由于工程分為了BIOS和USER，mbedOS駐留在BIOS中，成為了一個(gè)固件。因此，用戶只需關(guān)心USER的編程，不改變?cè)械木幊棠Ｊ剑瑹o(wú)需了解mbedOS調(diào)度機(jī)制，就可以調(diào)用mbedOS提供的對(duì)外接口函數(shù)，從而降低了編程難度；

(2)節(jié)省編譯時(shí)間。由于mbedOS駐留在BIOS中，只需要編譯成功之后就可以作為一個(gè)固件提供給用戶長(zhǎng)期使用，不占用用戶程序時(shí)間，而在USER中由于無(wú)mbedOS，只需編譯用戶程序即可，縮短了程序的編譯時(shí)間；

(3)簡(jiǎn)化寫入方式。在原來(lái)不分BIOS和USER時(shí)，每次要使用SWD接口通過(guò)寫入器將程序燒錄到Flash中，若程序有變動(dòng)，還需重新寫入。而在GEC架構(gòu)中，只需在BIOS中通過(guò)寫入器將程序燒錄到Flash中，而USER則可以通過(guò)串口進(jìn)行寫入和更新，甚至可以通過(guò)遠(yuǎn)程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)USER的更新，簡(jiǎn)化了程序的寫入方式。

2 駐留方法

基于GEC架構(gòu)，程序雖然分為BIOS和USER，但最終程序代碼和各種變量數(shù)據(jù)都是放在同一個(gè)MCU的Flash和RAM中，要將mbedOS駐留到BIOS中，就必須對(duì)MCU的Flash和RAM空間進(jìn)行合理的劃分，這樣才能確保代碼不重疊，變量使用不越界，從而保證mbedOS能得到正常運(yùn)行，而且又不影響USER的執(zhí)行。

2.1 Flash和RAM空間的劃分

(1)Flash空間的劃分

MCU的Flash 空間一般分為中斷向量段、Flash配置段和程序代碼段，分別用于存放中斷向量、默認(rèn)的Flash保護(hù)設(shè)定與加密屬性、程序代碼。在GEC架構(gòu)下，F(xiàn)lash 空間采用分割獨(dú)享方式劃分為BIOS和USER兩部分，每部分都包含這3個(gè)段，其劃分如圖1所示，需要注意的是由于Flash是以扇區(qū)為單位進(jìn)行擦除,在劃分空間時(shí)要以扇區(qū)為單位。BIOS負(fù)責(zé)MCU的啟動(dòng)、提供各類構(gòu)件、實(shí)現(xiàn)mbedOS的駐留以及生成函數(shù)原型級(jí)的對(duì)外接口函數(shù)表供USER使用；USER由用戶編寫，它可以調(diào)用BIOS提供的對(duì)外接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的功能需求。

圖1 分割獨(dú)享式Flash空間劃分

(2)RAM空間的劃分

MCU的RAM空間一般分為重定向段、data段、bss段、heap段和stack段，各段的作用見表1。棧空間的使用方向是從大地址向小地址方向進(jìn)行的，棧空間的棧底位置應(yīng)該設(shè)置為RAM最大地址+1處；而堆空間的使用方向是從小地址向大地址方向進(jìn)行的。

表1 RAM中的各段作用

RAM空間的劃分也同樣分為BIOS和USER兩部分，前者包含重定向段、data段、bss段、heap段和stack段，后者包含data段、bss段、heap段和stack段。由于heap段和stack段都是用于存放臨時(shí)局部變量，可以重疊使用。因此，在RAM空間劃分上可以采用分割獨(dú)享和重疊共享兩種方式。分割獨(dú)享方式的優(yōu)勢(shì)在于BIOS和USER獨(dú)享自己的RAM空間，可以避免BIOS和USER運(yùn)行時(shí)彼此間的數(shù)據(jù)重疊干擾，一般適用于RAM空間較大的情況。由于本文采用的KL36的RAM空間較小，因此采用重疊共享方式。

由于芯片上電啟動(dòng)，運(yùn)行完BIOS之后，程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到USER執(zhí)行。此時(shí)，雖然BIOS完成了它的使命，但其RAM空間中的重定向段、data段、bss段和heap段仍要為USER服務(wù)，故需保留，而stack段的臨時(shí)變量不再被使用，無(wú)需保留。因此，可以充分利用這一特性，只需確保USER的RAM區(qū)域從BIOS的heap段之后開始，且BIOS的stack段的棧底地址與USER的stack段的棧底地址都指向RAM最大地址+1的位置，這樣可以將BIOS的stack段與USER的RAM空間共同使用同一段區(qū)域。基于此思想，針對(duì)RAM空間較小的情況，提出了采用重疊共享的方式來(lái)劃分RAM空間，如圖2所示，BIOS占用整個(gè)RAM空間，USER只占用BIOS的stack段這塊區(qū)域。

圖2 重疊共享式RAM空間劃分

2.2 對(duì)外接口函數(shù)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)Flash和RAM空間的劃分，為mbedOS駐留在BIOS中提供了空間，但要發(fā)揮mbedOS的作用，還需將mbedOS的功能通過(guò)對(duì)外接口函數(shù)表的方式向USER提供服務(wù)。要達(dá)到這樣的目的，首先需要在BIOS中進(jìn)行對(duì)外接口函數(shù)的定義、聲明、注冊(cè)，形成對(duì)外接口函數(shù)表；其次要在USER中獲取對(duì)外接口函數(shù)表的入口地址，并重定向?qū)ν饨涌诤瘮?shù)名稱；最后在USER中實(shí)現(xiàn)對(duì)函數(shù)的調(diào)用，如圖3所示。

圖3 對(duì)外接口函數(shù)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1)對(duì)外接口函數(shù)的定義

對(duì)外接口函數(shù)不僅包含mbedOS的功能函數(shù)，而且還可以包括各類構(gòu)件函數(shù)，其定義與一般函數(shù)的定義并無(wú)區(qū)別，主要包括函數(shù)名、函數(shù)的返回值類型、函數(shù)的參數(shù)、函數(shù)體等。

(2)對(duì)外接口函數(shù)的聲明

對(duì)外接口函數(shù)定義好之后，一般應(yīng)在與之同名的.h頭文件中進(jìn)行聲明，函數(shù)的聲明要給出函數(shù)名、函數(shù)的返回值類型、函數(shù)的參數(shù)以及函數(shù)的功能說(shuō)明。

(3)對(duì)外接口函數(shù)的注冊(cè)

在對(duì)外接口函數(shù)定義和聲明之后，還要對(duì)函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)才能形成對(duì)外接口函數(shù)表。借鑒中斷向量表的定義做法，可以給所有的或部分的對(duì)外接口函數(shù)編號(hào)，并將函數(shù)名(即函數(shù)的入口地址)集中在一起按編號(hào)有序地放在一個(gè)統(tǒng)一的區(qū)域中，這個(gè)區(qū)域就稱為對(duì)外接口函數(shù)表。對(duì)外接口函數(shù)表常用數(shù)組(如BIOS_API)來(lái)存放，對(duì)外接口函數(shù)的編號(hào)與數(shù)組的下標(biāo)元素一一對(duì)應(yīng)，如0號(hào)對(duì)外接口函數(shù)對(duì)應(yīng)BIOS_API[0]，1號(hào)對(duì)外接口函數(shù)對(duì)應(yīng)BIOS_API[1]，依此類推。

(4)獲取對(duì)外接口函數(shù)表的入口地址

當(dāng)BIOS的對(duì)外接口函數(shù)表形成之后，USER要使用它必須先獲得對(duì)外接口函數(shù)表的入口地址，也就是獲得存放對(duì)外接口函數(shù)表的數(shù)組首地址。為了與該數(shù)組的元素一一對(duì)應(yīng)，在USER中一般也定義一個(gè)重定向表數(shù)組(如USER_API)，這樣USER使用USER_API就相當(dāng)于使用BIOS_API。也可以說(shuō)，USER通過(guò)USER_API就可以訪問(wèn)BIOS提供的對(duì)外接口函數(shù)。

(5)對(duì)外接口函數(shù)表的重定向

USER對(duì)對(duì)外接口函數(shù)表中函數(shù)的訪問(wèn)是通過(guò)USER_API數(shù)組，如USER_API[1]訪問(wèn)的是1號(hào)對(duì)外接口函數(shù)。但采用USER_API[i]這種形式對(duì)具體訪問(wèn)的對(duì)外接口函數(shù)的類型、函數(shù)名、參數(shù)以及功能等不夠清晰明了。因此，類似中斷向量重定向的做法，也可以對(duì)對(duì)外接口函數(shù)進(jìn)行重定向，即重新給USER_API[i]取另外一個(gè)用戶熟悉的函數(shù)名，這個(gè)函數(shù)名可以與對(duì)外接口函數(shù)名同名，也可以是不同名的，這樣就可以為用戶提供函數(shù)原型級(jí)的訪問(wèn)方式，易于用戶記住和使用。如mbedOS中延時(shí)函數(shù)的名稱是wait，在重定向時(shí)可以取名為delay，表2列出了部分mbedOS對(duì)外接口函數(shù)。

表2 部分對(duì)外接口函數(shù)重定向

(6)函數(shù)調(diào)用

在對(duì)外接口函數(shù)表重定向之后，就可以利用重定向后的名字來(lái)調(diào)用對(duì)外接口函數(shù)，如USER在調(diào)用delay函數(shù)時(shí)，實(shí)際上是指向了USER_API[3]，而USER_API[3]對(duì)應(yīng)BIOS_API[3]，BIOS_API[3]存放的就是wait函數(shù)的入口地址，也就是USER通過(guò)delay達(dá)到調(diào)用wait的目的。

2.3 駐留實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)

在GEC架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)將mbedOS駐留在BIOS中，有以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：

(1)合理分配Flash空間。由于Flash空間的劃分是以扇區(qū)為單位的，當(dāng)Flash空間較小時(shí)，只須保留最基本的各類構(gòu)件和mbedOS的最基本功能函數(shù)以滿足實(shí)際工程需要即可，確保BIOS的Flash空間不浪費(fèi)；

(2)確保RAM空間不沖突。當(dāng)RAM空間較小采用重疊共享方式劃分時(shí)，若BIOS使用new或malloc等動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)，此時(shí)申請(qǐng)的空間占用的是BIOS的heap段，當(dāng)申請(qǐng)的內(nèi)存過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)heap段空間不夠而越界到USER的重定向段、data段、甚至bss段，造成USER無(wú)法正常運(yùn)行；

(3)及時(shí)回收系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用權(quán)。在GEC架構(gòu)中，從芯片上電到最終用戶的任務(wù)執(zhí)行是先啟動(dòng)BIOS，接著啟動(dòng)USER，最后才啟動(dòng)mbedOS。由于mbedOS的調(diào)度依賴于系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用SVC、可掛起服務(wù)調(diào)用PendSV和系統(tǒng)時(shí)間嘀嗒SysTick等，而在啟動(dòng)BIOS和USER時(shí)都會(huì)使用到SVC中斷，SysTick中斷也有可能會(huì)被作為定時(shí)器使用。因此，在啟動(dòng)mbedOS前，必須及時(shí)將SVC、PendSV和SysTick的調(diào)用權(quán)回收，移交給mbedOS。

3 駐留測(cè)試

mbedOS的駐留測(cè)試工程在Kinetis Design Studio 3.0.0 IDE開發(fā)環(huán)境和金葫蘆AHL-A系列Cortex-M0+內(nèi)核的KL36微控制器[14](即AHL-AN100VL型號(hào)開發(fā)板)上進(jìn)行，分為BIOS和USER兩個(gè)工程，BIOS工程實(shí)現(xiàn)mbed-OS的駐留，先于USER固化到Flash中，USER工程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。

3.1 Flash和RAM空間實(shí)際劃分情況

KL36片內(nèi)Flash大小為64 KB，分為64個(gè)扇區(qū)，一般用來(lái)存放中斷向量(共有48個(gè)，占192字節(jié))、程序代碼、常數(shù)等；片內(nèi)RAM為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM，大小為8 KB，一般用來(lái)存儲(chǔ)全局變量、靜態(tài)變量、臨時(shí)變量(堆棧空間)等。測(cè)試工程考慮到Flash和RAM空間較小，F(xiàn)lash空間采用圖1劃分方式，RAM采用圖2劃分方式。當(dāng)mbedOS駐留后，F(xiàn)lash和RAM空間劃分情況見表3。

表3 KL36中BIOS和USER空間劃分

3.2 駐留后程序啟動(dòng)流程分析

在GEC架構(gòu)中，當(dāng)mbedOS駐留在BIOS后，整個(gè)程序從上電啟動(dòng)到最后由mbedOS實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶任務(wù)的調(diào)度，需要經(jīng)歷BIOS啟動(dòng)、USER啟動(dòng)以及mbedOS啟動(dòng)3個(gè)階段，其簡(jiǎn)易啟動(dòng)流程如圖4所示。

圖4 GEC架構(gòu)下mbedOS的簡(jiǎn)易啟動(dòng)流程

首先，MCU上電開始BIOS的啟動(dòng)，由硬件自動(dòng)完成從Flash的0地址處取值對(duì)BIOS的堆棧指針初始化和啟動(dòng)復(fù)位向量，接著進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘初始化和各數(shù)據(jù)段的初始化，然后在main函數(shù)中調(diào)用projectJump跳轉(zhuǎn)到USER的執(zhí)行。

其次，從BIOS轉(zhuǎn)到USER的啟動(dòng)，由用戶指令完成從Flash的0地址處取值對(duì)USER的堆棧指針初始化和啟動(dòng)復(fù)位向量，接著進(jìn)行各數(shù)據(jù)段的初始化，然后在USER的main函數(shù)調(diào)用mbedOS_start啟動(dòng)mbedOS。

最后，從USER轉(zhuǎn)到mbedOS的啟動(dòng)，包括設(shè)置mbed-OS的堆棧區(qū)、重定向中斷向量表、內(nèi)核初始化、設(shè)置自啟動(dòng)任務(wù)屬性、創(chuàng)建自啟動(dòng)任務(wù)、啟動(dòng)內(nèi)核、調(diào)用自啟動(dòng)任務(wù)的執(zhí)行函數(shù)，然后由mbedOS完成對(duì)用戶任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行。

3.3 駐留的運(yùn)行測(cè)試

USER工程的主要功能是創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)每秒紅燈閃爍一次，藍(lán)燈任務(wù)每2 s切換亮暗一次，綠燈任務(wù)當(dāng)收到藍(lán)燈任務(wù)的線程信號(hào)(34)時(shí)，切換綠燈亮暗。在USER 工程中，使用到了mbedOS提供的對(duì)外接口函數(shù)有延時(shí)、任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)啟動(dòng)、信號(hào)設(shè)置和信號(hào)等待等函數(shù)。駐留測(cè)試工程的運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，從中可以看出mbedOS駐留成功，程序啟動(dòng)流程正確，能準(zhǔn)確調(diào)用mbedOS提供的對(duì)外接口函數(shù)，任務(wù)在mbedOS調(diào)度下運(yùn)行正常、程序執(zhí)行邏輯準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性能得到滿足。

圖5 駐留測(cè)試工程的運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為充分發(fā)揮實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)mbedOS的強(qiáng)大功能和較高實(shí)時(shí)性的性能，本文結(jié)合固件技術(shù)的設(shè)計(jì)原則，深入剖析了GEC架構(gòu)下mbedOS的駐留優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)，提出了分割獨(dú)享和重疊共享兩種方式來(lái)合理劃分Flash和RAM空間，詳細(xì)給出了對(duì)外接口函數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后測(cè)試結(jié)果表明mbedOS駐留成功，F(xiàn)lash和RAM空間劃分合理，程序運(yùn)行邏輯正確。同時(shí)，本文提出的對(duì)外接口函數(shù)重定向方法，使得用戶可以使用自己定義的函數(shù)名稱而不依賴于RTOS提供的函數(shù)名稱，提高了用戶程序的可移植性。后續(xù)將在不同MCU的可移植性和駐留等方面展開進(jìn)一步的研究，文中的程序可在蘇州大學(xué)嵌入式學(xué)習(xí)社區(qū)(http://sumcu.suda.edu.cn)中下載查看。