基于D1-H應(yīng)用處理器的RT-Thread駐留方法

李志嬡 王宜懷 劉長勇

摘 要：針對實時操作系統(tǒng)復(fù)雜性內(nèi)核導(dǎo)致嵌入式應(yīng)用程序編譯速度慢、可復(fù)用性差的問題，提出基于通用嵌入式計算機架構(gòu)（GEC）的RT-Thread實時操作系統(tǒng)駐留方法。在合理劃分存儲空間的基礎(chǔ)上，通過對中斷服務(wù)例程進行共享，為用戶提供底層驅(qū)動與軟件應(yīng)用層的函數(shù)調(diào)用服務(wù)。最后以D1-H應(yīng)用處理器為例進行RT-Thread駐留測試。實踐結(jié)果表明，該駐留方法實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用程序的物理隔離，編譯時間更短，開發(fā)效率更高，為嵌入式程序開發(fā)的時效性、便捷性和簡易性提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實時操作系統(tǒng)；應(yīng)用處理器；通用嵌入式計算機；駐留；函數(shù)調(diào)用

中圖分類號：TP316.2?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1001-3695（2024）01-034-0222-04

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.04.0223

Resident method of RT-Thread based on D1-H multimedia application processor

Abstract：This paper proposed a method for the residency of the RT-Thread real-time operating system based on the general embedded computer （GEC） architecture to address the issues of slow compilation speed and poor reusability caused by the complexity of the real-time operating system kernel in embedded applications.On the basis of reasonable storage space allocation，the method achieved the sharing of interrupt service routines，providing users with function call services for both low-level drivers and software application layers.Finally，the residency method was tested using the D1-H application processor as an example.And the results demonstrate that it achieves physical isolation between the system kernel and application programs，resulting in shorter compilation time and higher development efficiency.This method provides a foundation for the timeliness，convenience，and simplicity of embedded program development.

Key words：real time operation system；multimedia application processor；general embedded computer；residency；function call? 實時操作系統(tǒng)（RTOS）［1］作為面向應(yīng)用處理器的重要工具和運行載體，不僅能有效管理和利用處理器資源，而且實現(xiàn)了應(yīng)用程序的模塊化管理與并發(fā)性執(zhí)行，保證了嵌入式系統(tǒng)的安全性、可靠性和實時性。在RTOS的應(yīng)用程序開發(fā)中，仍存在因RTOS源碼被誤改或代碼量較大而影響編譯效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性的現(xiàn)象。若在物理層面實現(xiàn)RTOS源碼與應(yīng)用程序的隔離，同時利用好RTOS為軟件開發(fā)提供的高效服務(wù)，則能夠在降低開發(fā)難度的基礎(chǔ)上提升開發(fā)效率。借助GEC架構(gòu)從功能層面將基本輸入輸出系統(tǒng)（basic input and output system，BIOS）與用戶程序（user）進行有效分割的思想，將RTOS駐留在BIOS內(nèi)，實現(xiàn)對嵌入式應(yīng)用程序編程顆粒度和可復(fù)用性的提高。目前，已有部分學(xué)者對操作系統(tǒng)的駐留應(yīng)用進行了相關(guān)研究，如：楊靜遠(yuǎn)等人［2］提出了一種基于ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)操作系統(tǒng)固化映像啟動配置策略；Chen等人［3］以Quark分區(qū)操作系統(tǒng)作為研究對象，基于微內(nèi)核架構(gòu)配置分區(qū)來實現(xiàn)系統(tǒng)實時性能的提升；白曦等人［4］參考分區(qū)操作系統(tǒng)時空隔離機制，設(shè)計了機電軟件開發(fā)平臺，將復(fù)雜業(yè)務(wù)應(yīng)用分解為功能單一的多個業(yè)務(wù)應(yīng)用，將其獨立駐留在不同分區(qū)，保證了應(yīng)用的健壯性。

RT-Thread［5］是一個集RTOS內(nèi)核與中間層組件于一體的開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（IoT OS）［6］，支持可靠性、實時性、高可伸縮性，被廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)自動化、國防軍工、消費電子等眾多領(lǐng)域。本文依據(jù)通用嵌入式計算機思想構(gòu)建D1-H［7］芯片軟件框架，將RT-Thread與底層驅(qū)動駐留于BIOS程序，通過函數(shù)映射的方式為用戶在USER程序開發(fā)提供構(gòu)件級應(yīng)用，降低了編程門檻、提高了開發(fā)效率、保障了系統(tǒng)穩(wěn)定，從而提高嵌入式應(yīng)用程序的易用性、穩(wěn)定性和可復(fù)用性。

1 RTOS駐留方法共性技術(shù)研究

RTOS作為嵌入式系統(tǒng)的核心組件，在系統(tǒng)啟動后處于持續(xù)存在和運行的狀態(tài)，負(fù)責(zé)高效地管理有限的資源以滿足任務(wù)調(diào)度的實時性能需求。其駐留實現(xiàn)方式因系統(tǒng)和應(yīng)用需求而異，但其目的都是確保嵌入式系統(tǒng)的實時性和可靠性。

1.1 通用嵌入式計算機架構(gòu)

為了解決在嵌入式軟件開發(fā)中存在的編程顆粒度低、可移植性弱等問題，通用嵌入式計算機GEC基于模塊共性知識要素對底層驅(qū)動進行構(gòu)件化，并采用類PC機開發(fā)模式將嵌入式軟件分為BIOS程序與user程序兩部分［8］，如圖1所示。其中，BIOS程序固化于MCU的非易失性存儲器中，MCU上電啟動時，先運行BIOS程序，再跳轉(zhuǎn)至user程序，隨后在user程序中啟動操作系統(tǒng)RT-Thread。在GEC架構(gòu)下，BIOS程序為user程序提供工作時鐘與函數(shù)原型級調(diào)用接口，用戶在基于標(biāo)準(zhǔn)軟件工程框架的user程序中進行應(yīng)用開發(fā)，通過調(diào)用BIOS程序提供的構(gòu)件進行快速編程。GEC架構(gòu)從存儲空間和功能定義兩個方面實現(xiàn)了BIOS程序與user程序的合理劃分，為RT-Thread的駐留提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。以BIOS程序作為先導(dǎo)程序，實現(xiàn)RT-Thread在MCU硬件層的固化，用戶則專注于軟件層，在user程序中進行應(yīng)用開發(fā)。下面從共性角度對RT-Thread駐留在BIOS的關(guān)鍵點進行分析。a）MCU的存儲資源是RTOS在實際應(yīng)用中的首要考慮因素，尤其是在使用大多低成本終端設(shè)備時，其flash和RAM資源更為有限。因此，為了避免出現(xiàn)BIOS程序與user程序在物理地址上沖突而導(dǎo)致代碼重疊、變量越界等問題，需要對存儲資源進行合理有效的劃分與利用。b）RTOS的核心功能是通過調(diào)度器對線程進行管理，當(dāng)RTOS駐留在BIOS程序后，為了實現(xiàn)調(diào)度器在user程序中的運轉(zhuǎn)，對系統(tǒng)中斷服務(wù)例程進行共享是實現(xiàn)BIOS程序與user程序在空間上保持聯(lián)動的必要項。c）RTOS具有豐富的函數(shù)調(diào)用接口，例如線程創(chuàng)建啟動、線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及線程上下文切換等，RTOS駐留后，在user程序中不包含函數(shù)接口，用戶無法直接在user程序中調(diào)用函數(shù)。因此，如何定位并調(diào)用函數(shù)是RTOS駐留后正常使用系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵。

1.2 RTOS駐留方法研究與對比

RTOS作為運行在CPU內(nèi)部的程序，通常與用戶程序一同編譯，導(dǎo)致存儲空間與CPU算力的開銷增長，文獻［9］利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）將μC/OS-Ⅲ內(nèi)核硬件化，通過定制硬件調(diào)度器進行任務(wù)調(diào)度，使得CPU專注于用戶任務(wù)的運算，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核與用戶任務(wù)的隔離。這種方法具有直接在硬件層面運行的優(yōu)勢，可以利用FPGA的并行計算能力與低功耗特性，提供高度可定制化的解決方案，但同時也面臨著復(fù)雜的硬件設(shè)計與開發(fā)流程，不具備通用性、可移植性與擴展性，技術(shù)實現(xiàn)難度較大。文獻［10］針對人造器官軟件更新的應(yīng)用場景，提出部分動態(tài)軟件更新機制，通過將輕量級實時操作系統(tǒng)Cyborgan OS的內(nèi)核駐留在固定代碼區(qū)域，實現(xiàn)應(yīng)用程序的增量更新與功能升級，該方法在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的前提下，提供了更加靈活和高效的軟件更新方案。文獻［11］基于汽車嵌入式實時操作系統(tǒng)的順序內(nèi)核展開形式建模和驗證研究，通過擴展C-IL / CC- IL配置狀態(tài)模型，為操作系統(tǒng)和可信任應(yīng)用程序的內(nèi)存隔離提供基礎(chǔ)機制，保障嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。以上兩種方案通過固定代碼駐留RTOS的思想，為本文研究提供了重要的參考價值。不同的RTOS駐留方法在實時性能、資源利用率、開發(fā)復(fù)雜度以及可移植性等方面存在著差異。選擇合適的駐留方法需要綜合考慮具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求。通過對上述方法的介紹和對比，可以進一步驗證本文方法的科學(xué)性和創(chuàng)新之處，并為讀者提供更全面的研究視角。

2 基于D1-H的GEC軟件框架設(shè)計與實現(xiàn)

嵌入式軟件工程由若干不同類型的文件組成，其中包括程序文件、頭文件、與編譯調(diào)試相關(guān)的文件、工程說明文件、開發(fā)環(huán)境生成文件等，基于GEC架構(gòu)的層次化原則，將BIOS程序和user程序按照功能定義進行邏輯劃分，通過清晰的層次結(jié)構(gòu)為長期的軟件維護和功能拓展提供保障。

1）BIOS程序工程框架 BIOS工程框架如表1所示，依據(jù)“分門別類，各有歸處”的原則將RT-Thread源碼駐留在BIOS程序的05_UserBoard文件夾，并在該文件下通過自定義的OsFunc.c程序?qū)T-Thread的啟動流程進行統(tǒng)一收攏，由OS_start函數(shù)調(diào)用RT-Thread實際的啟動函數(shù)。

2）user程序工程框架 user程序工程框架的組織架構(gòu)與BIOS基本一致，不同之處在于05_UserBoard文件中的RT-Thread源碼被替換為了Os_Self_API.h文件，在07_AppPrg中增加了threadauto_appinit.c文件。其中，Os_Self_API.h頭文件是按照RT-Thread中的原函數(shù)進行重映射的接口文件，threadauto_appinit.c則用于存放RT-Thread操作系統(tǒng)中的自啟動線程函數(shù)app_init，即BIOS程序中函數(shù)OS_start的入口參數(shù)，對于用戶而言，app_init則是進行應(yīng)用程序開發(fā)的快速入口。

3 基于D1-H實現(xiàn)RT-Thread駐留的關(guān)鍵要素

在GEC架構(gòu)下，BIOS與user在物理空間中是相互獨立的軟件工程，但兩者的代碼和變量都是在MCU的同一存儲空間下運行和定義的，若要成功實現(xiàn)RT-Thread的駐留，首先要對D1-H的flash與雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器（double data rate，DDR）進行合理分區(qū)，從而保障RT-Thread正常調(diào)度運行。

3.1 片外flash與DDR的空間劃分

flash區(qū)主要用于保存工程編譯后的機器碼，包含了程序代碼、中斷向量和常數(shù)等。為確保用戶層的可擴展性，在滿足BIOS程序基本存儲空間需求后，將flash存儲空間的剩余量一并劃分到user程序下。為進一步提高BIOS程序和user程序?qū)lash資源的利用率，依據(jù)緊湊劃分原則，從片外flash的零地址開始為BIOS程序分配空間，并將BIOS程序的結(jié)束地址作為user程序的起始地址。同時，為了保持各自的獨立性，防止user程序在開始寫入時出現(xiàn)意外擦除BIOS程序的情況，需要將BIOS程序與user程序各自的代碼分別存放在不同扇區(qū)。片外flash劃分樣例如圖2所示，1～n扇區(qū)為BIOS程序，n+1扇區(qū)及后續(xù)空間均為user程序。

DDR區(qū)主要由以下數(shù)據(jù)段組成：存放初始化不為0的全局變量或靜態(tài)變量的data段、存放未初始化或初始化為0的全局變量或靜態(tài)變量的bss段、存放臨時局部變量的heap段以及保存函數(shù)變量和參數(shù)的stack段。基于片外flash的劃分要點，將DDR中的BIOS程序和user程序進行獨立分區(qū)，如圖3所示。該劃分方式的弊端表現(xiàn)為：BIOS程序運行結(jié)束后，釋放stack段的存儲空間且不再使用，在一定程度上造成了DDR資源的浪費。因此，在獨立分區(qū)的基礎(chǔ)上，保留BIOS程序和user程序的data段、bss段和heap段，將各自的stack段合并后設(shè)置為共享區(qū)，如圖4所示，實現(xiàn)user程序?qū)tack段的二次使用，從而有效提高DDR存儲資源的利用率。

3.2 BIOS程序與user程序的銜接

BIOS程序與user程序之間的銜接由以下兩個方面組成：為確保user程序的正常運行，需要由BIOS程序提供正確引導(dǎo)；當(dāng)user程序運行異常時，需要由BIOS提供有效方法使得user程序順利回退至BIOS程序。

1）BIOS程序?qū)ser程序的正確引導(dǎo) 當(dāng)BIOS程序燒錄至MCU內(nèi)部后，通過特定標(biāo)識信息對片外flash中的user程序進行檢測，若user程序存在，則由BIOS程序提供引導(dǎo)，將user程序拷貝到DDR，通過鏈接文件獲取user程序的運行地址和代碼量，并將PC指針指向user程序的復(fù)位函數(shù)，在該函數(shù)內(nèi)利用內(nèi)嵌匯編加載并跳轉(zhuǎn)至user程序的運行地址，即可完成BIOS程序到user程序的跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行過程如圖5所示。為了避免標(biāo)識信息在熱復(fù)位后被清除，本文將該標(biāo)識信息存放于user程序bss段與data段之間的獨立范圍內(nèi)，保證了BIOS程序?qū)ser程序引導(dǎo)的可靠性與通用性。

2）由user程序返回BIOS程序 通過在短時間內(nèi)對MCU進行6次熱復(fù)位，且每次觸發(fā)間隔控制在1 s左右，即可實現(xiàn)user程序主動返回至BIOS程序；若觸發(fā)次數(shù)不足6次，則清空已觸發(fā)次數(shù)并繼續(xù)運行user程序，具體執(zhí)行流程如圖6所示。

由于D1-H內(nèi)部不包含識別冷復(fù)位與熱復(fù)位的控制狀態(tài)寄存器，本文利用熱復(fù)位不會導(dǎo)致存儲器內(nèi)容丟失的特性，取消啟動文件中的bss段清零操作，對未初始化的全局變量進行判斷，若初值改變，則返回冷復(fù)位標(biāo)志，反之則返回?zé)釓?fù)位標(biāo)志。

3.3 底層驅(qū)動的駐留與調(diào)用

底層驅(qū)動的駐留是指在BIOS程序中將底層驅(qū)動封裝為構(gòu)件，通過應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）為用戶在user程序中提供函數(shù)調(diào)用服務(wù)。本文將底層驅(qū)動函數(shù)地址按照順序依次存放在全局指針數(shù)組ComponentFun，利用“attribute”關(guān)鍵字將該數(shù)組固定存儲在BIOS程序的“.component_list”數(shù)據(jù)段，并使用缺省函數(shù)reserved_func為接口函數(shù)的更新與擴充預(yù)留空間。在user程序中，按照全局指針數(shù)組ComponentFun中的存放順序，對接口函數(shù)的函數(shù)名、返回值類型和參數(shù)類型等進行重定義，通過全局指針數(shù)組的固定索引調(diào)用相應(yīng)函數(shù)。具體實現(xiàn)方法如下：

__attribute__（（section （".component_list"））） void *

ComponentFun［MAP_SECTORSIZE/2］ = {

（void*） gpio_init，

（void*） gpio_set，

（void*） reserved_func，

}

#define 函數(shù)名（（接口函數(shù)聲明指針表達(dá)形式）（全局?jǐn)?shù)組［序號］））

4 RT-Thread駐留測試

RT-Thread的駐留測試工程在AHL-GEC-IDE開發(fā)環(huán)境和基于玄鐵C906內(nèi)核的D1-H應(yīng)用處理器上進行，首先運行BIOS程序，將RT-Thread駐留在D1-H的外接flash中，隨后運行user程序，并分別對線程間的事件、互斥量、信號量以及消息隊列四種同步與通信方式進行測試。

4.1 flash和DDR的實際空間劃分情況

D1-H外接NAND Flash［12］大小為256 MB，分為131 072個扇區(qū)，用于存放程序、常數(shù)以及中斷向量；外接RAM為雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器第三代DDR3［13］，大小為512 MB，用于存放全局變量、靜態(tài)變量以及堆棧空間。測試工程中NAND Flash采用圖2所示劃分方式，DDR3采用圖4所示劃分方式，RT-Thread駐留在BIOS后，NAND Flash與DDR3的空間劃分如表2所示。

4.2 RT-Thread駐留后程序啟動流程分析

當(dāng)RT-Thread駐留到BIOS后，從D1-H上電復(fù)位到RT-Thread對用戶線程進行調(diào)度主要包含以下五個階段：啟動內(nèi)部固化引導(dǎo)程序BROM、啟動第二階段程序SPL、啟動BIOS、由BIOS跳轉(zhuǎn)至user、啟動user以及啟動RT-Thread，其啟動流程如圖7所示。首先，D1-H上電復(fù)位后，按照內(nèi)部機制從固化在片內(nèi)ROM處的引導(dǎo)程序BROM開始執(zhí)行，接著啟動SPL，通過自定義程序完成對時鐘、串口以及DDR3的初始化，在將BIOS程序復(fù)制到DDR3的空間地址0x4000_0000后，開始BIOS的啟動，由硬件從NAND Flash的起始地址取出中斷向量表的第一個表項，賦值給堆棧指針寄存器SP進行初始化，程序計數(shù)器PC加載中斷向量表第二個表項，啟動BIOS復(fù)位向量，接著對DDR3中的各個數(shù)據(jù)段完成初始化，然后在主程序中調(diào)用user_jump跳轉(zhuǎn)至user程序。user程序的啟動過程與BIOS程序的啟動過程基本一致，唯一不同的是，user在主程序中調(diào)用函數(shù)rtthread_startup啟動RT-Thread，包括對板級硬件初始化、延時阻塞列表初始化、調(diào)度器初始化、創(chuàng)建自啟動線程和空閑線程、啟動調(diào)度器，然后由RT-Thread完成對用戶線程的調(diào)度運行。

4.3 駐留運行測試

在user程序中分別對事件、互斥量、信號量和消息隊列四種線程同步與通信方式進行功能測試。RT-Thread駐留測試工程的運行結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果表明，RT-Thread成功駐留于BIOS程序，并在user程序中按照啟動流程順利實現(xiàn)了創(chuàng)建線程、啟動線程、延時調(diào)度以及四種同步與通信等功能，驗證了RT-Thread駐留方法的可行性。

a）事件測試工程。在串口中斷中設(shè)置紅燈事件，改變紅燈亮暗。b）互斥量測試工程。紅、綠、藍(lán)三種顏色的小燈按照紅燈5 s、綠燈10 s、藍(lán)燈20 s的順序單獨實現(xiàn)亮暗，每種顏色的小燈線程之間通過鎖定單色燈互斥量獨立占有資源。c）信號量測試工程。通過串口輸出線程申請、等待和釋放信號量的響應(yīng)過程。d）消息隊列測試工程。通過消息隊列實現(xiàn)線程間的消息傳遞。觸發(fā)串口接收中斷后，通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被存放到消息隊列，消息隊列接收線程每隔1 s從消息隊列中獲取消息并通過串口打印出消息內(nèi)容和當(dāng)前消息隊列中的消息量。

5 結(jié)束語

為了更好地發(fā)揮RT-Thread對嵌入式軟件開發(fā)的應(yīng)用支撐，本文在GEC架構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了國產(chǎn)RISC-V應(yīng)用處理器D1-H的GEC軟件框架，深入剖析了實現(xiàn)RT-Thread駐留的關(guān)鍵要素，提出了BIOS程序正向引導(dǎo)與user程序順利回退兩種機制來有效實現(xiàn)BIOS程序與user程序之間的銜接，給出了具體的存儲空間劃分、底層驅(qū)動駐留與調(diào)用的實現(xiàn)方法。后續(xù)將進一步對RT-Thread架構(gòu)中的協(xié)議棧、圖形庫以及虛擬文件系統(tǒng)等組件進行研究，實現(xiàn)用戶程序功能的擴展。

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