為μC／OS0II添加加載外部程序支持

蔡富強，郭兵，沈艷

（1.四川大學 計算機學院，成都610065；2.電子科技大學）

蔡富強（碩士生），主要研究方向為嵌入式實時系統；郭兵（教授），主要研究方向為嵌入式實時系統、SoC和中間件；沈艷（副教授），主要研究方向為虛擬儀器、分布式測試。

引 言

嵌入式系統是一個專用的計算機系統，它在現實生活中有著極其廣泛的用途，大到飛機、宇宙飛船，小到各種手持設備（如手機），都是嵌入式系統的具體應用。可以說，嵌入式系統已經漸漸融入我們的生活，變得不可或缺。這種趨勢將隨著物聯網［1］的推廣變得更加明顯。

嵌入式系統的一個比較關鍵的技術就是嵌入式操作系統。目前常用的嵌入式操作系統有 Linux、μC／OS［2］、WinCE、VxWorks、Symbian等，其中μC／OS以其開放源碼、高效而小巧，同時又兼具實時性等特點得到了比較廣泛的應用。

μC／OS中只實現了操作系統的一些基本功能（帶優先級可搶占的進程管理和一個比較簡單的內存管理方案），這是它只有幾千行代碼的基本原因。正因為如此，它并不適用于所有嵌入式應用，尤其是面向高端的應用。為了拓展μC／OS的應用范圍，很多改進措施被提出。一些學者為μC／OS添加功能模塊，以拓展其應用，如TCP／ⅠP協議棧、GUⅠ、文件系統等，參考文獻［3］為μC／OS添加內存文件系統，參考文獻［4］為μC／OS添加基于FAT的Flash文件系統；也有學者改進μC／OS的基本模塊，以滿足新的需求，參考文獻［5］改進了μC／OS的任務調度模塊，參考文獻［6］解決μC／OS消息隊列數據通信安全問題；參考文獻［7］擴展μC／OS到可重構系統，使其支持軟硬件任務的統一調度。

本文也以拓展μC／OS應用為目的，為μC／OS添加加載外部可執行程序支持，同時也提出一種內存分配方案，以實現為程序映像和棧高效分配內存。由于目前在嵌入式領域應用最多的處理器為ARM系列，本功能的實現針對ARM平臺。

1 內存分配

μC／OS內核實現的內存分配方案支持多種大小的內存塊，但不同大小內存塊之間獨立管理，這種實現使用不方便，不能實現動態而高效的內存分配。本文提出一種獨立的內存管理機制，以實現為程序映像和棧高效分配內存。

實現參考了Linux內核的分區頁面管理算法［8］。將全局內存劃分為以512字節為單位的塊，并為每個內存塊建立描述符，通過描述符來管理內存塊。內存塊按塊數的幾何級數組織成多級鏈表，第一級用于分配1個塊，第二級用于分配地址連續的2個塊，第三級用于分配地址連續的4個塊，依次類推。由連續內存塊的首塊內存的描述符參與鏈表鏈接。將實現下面幾個函數，具體描述見1.2小節。

1.1 數據結構定義

實現該內存管理，需要一些全局變量和數據結構定義。ⅠNT8U＊pmem指向靜態分配的全局內存。塊描述符的定義如下：

BLOCK＿DESC表示內存塊描述符，每個內存塊都有一個內存描述符，并且從前到后一一對應。next和prev用于多級鏈表的鏈接；order的最高位表示該連續的內存塊序列是否被使用，其余位表示所屬鏈表級數。鏈表級數根據全局內存大小自動調整，在嵌入式應用中一般不超過10（能分配最大512KB的連續內存），用ⅠNT8Ugorder表示鏈表的級數。BLOCK＿DESC＊desc＿begin表示塊描述符的首地址。void＊block＿begin表示內存塊的首地址。BLOCK＿DESC＊desc＿list［11］用于鏈接多級鏈表。

1.2 函數實現

DescToBlock函數實現從內存塊描述符地址到內存塊地址的轉換。由于塊描述符與內存塊依次對應，只要有兩者的內存首地址，就很容易實現。具體實現只需要下面的表達式：return（char＊）block＿begin＋ （desc－desc＿begin）＜＜9。BlockToDesc函數功能正好相反，實現方式類似。

BlockMemⅠnit函數完成該內存管理方案的初始化。首先，根據提供的全局內存的大小確定多級鏈表級數，最多為10級，并初始化全局變量gorder，內存塊數為size／（512＋sizeof（BLOCK＿DESC））；然后，根據全局內存能夠容納的內存塊數將其分為兩部分，前面用于存儲所有的塊描述符（將塊描述符清零），后面部分就是用于分配的內存塊，并初始化全局變量block＿begin和desc＿begin；最后，將內存塊按最大化的原則分配于多級鏈表中，理想情況下所有的內存塊都分配于所支持的最大級鏈表中，大小不滿足的則分配到低級別的鏈表中（仍須按最大化原則）。

圖1表示初始化后的內存布局（虛線表示不一定存在）。

GetBlocks函數用于分配（1＜＜order）個連續的內存塊。算法描述如下：

① 檢查參數order是否有效，無效返回null，有效繼續；

②檢查order級鏈表是否有空閑內存，沒有轉下一步，否則從鏈表中取出第一塊，修改描述符的使用標志位，通過函數DescToBlock獲取內存地址并返回；

③ 從更高級別獲取空閑內存，如果獲取失敗，返回null，否則，逐級分裂直到order級鏈表，并修改首個描述符的所屬鏈表級數，轉第二步。

圖1 初始化后的內存布局

FreeBlocks函數用于釋放指定地址處開始的（1＜＜order）個連續的內存塊。該函數是實現高效內存分配的關鍵，為了保證內存不會被分得過碎，需要迭代檢查釋放內存是否可以同相鄰的內存合并（看描述符order字段是否相同）。算法描述如下：

①通過函數BlockToDesc獲取塊描述符的地址，將描述符設置為未使用；

② 檢查order級鏈表中是否有與待釋放內存相鄰的內存（前后都有相鄰的選前面的參與合并）。如果沒有相鄰的，轉第③步。否則，將相鄰內存的首個內存塊描述符從鏈表中刪除，修改相關的兩個塊描述符的order字段（在前面的加1，后面的清零），參數order加1，繼續執行第②步；

③ 將內存插入order級鏈表中。

2 加載程序

要實現外部程序加載，需要操作系統和編譯器的密切配合，整個過程非常復雜。為了使程序加載器盡可能簡單和高效，采用下面的措施：

① 修改編譯μC／OS內核的Makefile文件，使內核鏈接地址和加載地址相同，通過NM工具導出內核函數地址表。將地址表以函數指針的形式組織在頭文件中，另外還須在頭文件中加入內核中關于數據類型和結構的定義，供外部程序使用。以本文第一部分中的BlockMemⅠnit函數為例，假設函數地址位于0x00008000，在頭文件中作如下聲明即可：

② 使main函數的代碼位于程序映像的入口處（為簡單起見，main函數不支持參數）。只需采用下面措施即可。編程時保證main函數是所在文件中第一個被實現的函數，修改LD鏈接腳本使包含main函數的目標文件的代碼段位于整個可執行程序的開始。

③通過OBJCOPY工具將鏈接生成的ELF格式的可執行程序轉化為二進制映像。

④ 為μC／OS添加函數void Exec（char＊name），用于加載二進制映像，并為其創建進程。

通過以上措施，加載器的實現非常簡單，只需為二進制映像分配內存并將其加載進內存，然后調用函數OSTaskCreate（二進制映像加載地址（main），null，通過函數 GetBlocks分配的棧空間，優先級）即可，由于ARM平臺沒有直接內存尋址模式，二進制映像不需要重定位就可執行。圖2為Exec函數的流程。

圖2 Exec函數執行流程

結 語

測試時采用S3C2440系列開發板作為目標平臺。首先，修改u－boot，以使其能夠加載μC／OS到指定地址處，并完成內核的引導工作；其次，移植μC／OS，使其能夠在S3C2440系列開發板上運行；然后，按參考文獻［3］或［4］中提供的方法為μC／OS實現文件系統支持；最后，按本文中的方法實現二進制映像加載功能。經測試，該方案是可行的。當然，該方案也存在一定的局限性，如只針對ARM平臺，內存分配方案還不能通用（對小內存塊分配利用率低），又由于μC／OS內核不支持保護模式，安全性也是一個問題。

［1］王保云.物聯網技術研究綜述［J］.電子測量與儀器學報，2009，23（12）：1－7.

［2］Labrosse Jean J.嵌入式實時操作系統μC／OS－ⅠⅠ［M］.邵貝貝，等譯.2版.北京航空航天大學出版社，2003.

［3］張紅兵.大容量內存文件系統設計及μC／OS下的實現［J］.單片機與嵌入式系統應用，2004（3）：15－20.

［4］王命延.一種加載在μC／OS－ⅠⅠ內核上的嵌入式文件系統［J］.南昌大學學報：理科版，2005，29（2）：197－204.

［5］張旭.μC／OS ⅠⅠ內核任務調度模塊的分析與改進［J］.單片機與嵌入式系統應用，2005（4）：71－76.

［6］曾蜀芳.μC／OS－ⅠⅠ中消息隊列通信的數據安全問題［J］.計算機技術與發展，2009，19（8）：151－154.

［7］周博.SHUM－UCOS：基于統一多任務模型可重構系統的實時操作系統［J］.計算機學報，2006，29（2）：208－218.

［8］Bovet Daniel P，Cesati Marco.深入理解Linux內核［M］.陳莉君，等譯.2版.北京：中國電力出版社，2004：223－268.