μC/OS-II運行在DSP Flash存儲器中的關(guān)鍵問(wèn)題

引言

在作為國家863計劃子項目挖掘機智能化控制系統的開(kāi)發(fā)中，出現了智能化挖掘機軌跡控制系統不按照預先設定好的軌跡運行和嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統μC／OS-Ⅱ調度紊亂等失控問(wèn)題。該智能化系統中采用了μC／OS-Ⅱ，通過(guò)位移傳感器實(shí)時(shí)采集挖掘機的鏟斗、斗桿和動(dòng)臂等3路角度信號，通過(guò)算法規劃路徑驅動(dòng)液壓比例閥實(shí)現平行推進(jìn)、鏟斗挖掘等典型作業(yè)。本文主要針對課題遇到的問(wèn)題，重點(diǎn)闡述μC／OS-Ⅱ在芯片內Flash存儲器運行時(shí)關(guān)鍵問(wèn)題的分析與解決辦法。

1μC／OS-Ⅱ在Flash存儲器中的運行

1.1 μC／OS-Ⅱ的特點(diǎn)與功能

μC／OS-Ⅱ是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的嵌入式操作系統，它采用可剝奪型內核。所有的任務(wù)都有優(yōu)先級，多任務(wù)之間優(yōu)先級高的可以中斷執行中的低優(yōu)先級任務(wù)而優(yōu)先執行。

它的特點(diǎn)主要有：公開(kāi)源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等。μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內存管理等功能。

1.2關(guān)鍵問(wèn)題

在完成了智能控制軟件后，就是將之嵌入到μC／OS-Ⅱ系統中。遇到的主要問(wèn)題是移植好的μC／OS-Ⅱ源代碼在聞亭的目標板上在線(xiàn)仿真時(shí)，把.out文件下載到RAM中能正常執行，但是用CCS燒寫(xiě)到Flash存儲器中就不能正常執行，出現智能化挖掘機軌跡控制系統不按照預先設定好的軌跡運行和μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)多任務(wù)調度紊亂等失控問(wèn)題，尤其是在課題的后期驗收階段問(wèn)題尤為棘手。

1.3原因分析

程序固化的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在程序存儲器中分配存儲空間給常量和用const關(guān)鍵字定義的靜態(tài)、全局變量。經(jīng)過(guò)仔細研究，發(fā)現與TI的C編譯器功能有關(guān)。CCS的編譯器按照標準C，沒(méi)有對Flash ROM中常數數據進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn)的功能。所以必須讓const段的常量數據在RAM中。

實(shí)現這一條件的方法有3種：

a)方法1：解決μC／OS-Ⅱ在Flash中運行的方法，采用去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，并且需要在.cmd文件中將.cinit段分配到程序區Flash存儲空間，然后在編譯器的編譯選項中選中“-C”，即ROM初始化(C編譯器默認就是這樣的)。

b)方法2：不對定義作修改，.const段保存在Flash存儲器中，數據不向數據存儲器移動(dòng)，程序運行時(shí)直接在程序存儲空間中訪(fǎng)問(wèn)這些量。由于c語(yǔ)言缺乏訪(fǎng)問(wèn)程序區數據的有效手段，因此這些語(yǔ)句只能使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。由于在每一處訪(fǎng)問(wèn)這些常量時(shí)都必須使用這些語(yǔ)句，因此這樣編寫(xiě)程序改動(dòng)量較大。

c)方法3：不需要修改常量定義，也不必編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的程序，主要的工作是修改.cmd文件并對工程中使用的庫文件作簡(jiǎn)單的修改，修改工作量小而且集中，極大地方便了程序的編寫(xiě)。較之前兩種方法，這種方法運用起來(lái)要方便得多。

2關(guān)鍵問(wèn)題的解決與實(shí)現

以下分別介紹方法1和方法3的具體實(shí)現。

2.1方法1

解決μC／OS-Ⅱ在Flash存儲器中運行的方法，即去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，以μC／OS-Ⅱ的更改為例：

2.1.1問(wèn)題的發(fā)現

μC／OS-Ⅱ的程序燒寫(xiě)到Flash中的問(wèn)題，剛開(kāi)始懷疑是分配存儲器的cmd文件有問(wèn)題，然后相關(guān)的又想到程序的大小問(wèn)題，特別是在咨詢(xún)聞亭的技術(shù)人員告知大于1 kB的程序要分開(kāi)燒后，甚至懷疑聞亭的仿真器和開(kāi)發(fā)板。后來(lái)實(shí)驗使用合眾達的板子是同樣的效果，并且發(fā)現不帶μC／OS的大小程序都能正常執行，基本排除了程序大小的問(wèn)題以及硬件問(wèn)題。后來(lái)通過(guò)對μC／OS系統任務(wù)調度前加LED函數，發(fā)現：直到多任務(wù)調度前都能正常執行，開(kāi)始多任務(wù)調度后就出了問(wèn)題。到這里確定問(wèn)題出在μC／OS-Ⅱ上，但是μC／OS-Ⅱ的移植是其他人員做的，其他本身沒(méi)有做過(guò)嚴格測試，也沒(méi)有燒到Flash存儲器中運行過(guò)，對整個(gè)課題產(chǎn)生致命的影響。最后課題組分析了程序在Flash存儲器中運行與在RAM中運行的本質(zhì)區別，提出一個(gè)重要的建議：可能有系統需要的常量定義在擴展RAM區了，當掉電后，RAM區的內容沒(méi)有了，常量也就沒(méi)有了，影響了系統的運行。

通過(guò)查看工程的cmd文件和編譯輸出的map文件，發(fā)現確實(shí)有系統內核的常量放在8000h以后的擴展RAM區。見(jiàn)下面map文件引用：

然后在OS_CORE．C中找到了常量的位置，分別是掩碼表：INT8U const OSMapTbl[]和任務(wù)優(yōu)先級判定表：INT8U const OSUnMapTbl[]

通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，燒寫(xiě)程序到Flash存儲器中之后，如果不關(guān)電源，而直接拔掉USB，從Flash存儲器引導，復位后程序能正常執行，但是關(guān)電后就不能了。經(jīng)查看，Flash存儲器燒寫(xiě)過(guò)程是先將程序裝載到RAM，再搬移到Flash存儲器中，所以不掉電所有程序都在RAM中有保留，但是程序確能從Flash存儲器引導。這樣，就確定了確實(shí)是這些常量放在RAM中引起的。但是并不像開(kāi)始想象的那樣，把常量直接定義在Flash存儲器區就能解決，但可以通過(guò)程序賦值來(lái)初始化這些常量，而不通過(guò)編譯來(lái)初始化，這是一個(gè)不一定最好但很有效的辦法。

2.1.2修改方法

按照上面的思路，對μC／OS作了如下3處修改：

a)OS_CORE．C文件中上面兩個(gè)數組的上面的初始化定義改為下面兩個(gè)初始化函數：

b)對μC／OS-Ⅱ.H函數進(jìn)行修改：將外部變量弓用的定義

c)在主程序的main()函數中的多任務(wù)調度函數執行前調用前面的兩個(gè)初始化函數，如下：

此方法用一句話(huà)總結，就是將常量定義成變量，以賦值語(yǔ)句的方式初始化到RAM中。

2.2方法3：修改數據段的定位方式和庫函數

這種方式除了要修改.const段的裝載地址和運行地址外，還要對CCS自帶的初始化函數進(jìn)行修改。但是這種方法是一勞永逸的。

對.const段的修改如下：

即采用了裝載地址與運行地址分離的方式，將.const載入ROM段，而運行時(shí)在RAM區。為了使程序正常運行，在初始化時(shí)，需要將.const段的內容從裝載地址拷貝到運行地址內。這段程序可以在編譯時(shí)由編譯器自動(dòng)生成。這還需要對軟件所使用的庫文件作簡(jiǎn)單的修改。該庫名稱(chēng)即是rts.lib(表示不同類(lèi)型的DSP，有2xx、25、50等)。修改該庫的方法是將源文件從庫中提取出來(lái)進(jìn)行修改，編譯后再替代原有的文件。具體操作如下：

a)將庫函數rts2xx.lib、源文件rts.src、兩個(gè)工具函數dspar.exe和dspa.exe找到，放在同意個(gè)目錄下，打開(kāi)ms_dos命令窗。

b)執行DOS命令：

這句的功能是從rts.src文件中提取出boot.asm文件。這個(gè)rts.src即是rts.lib的源文件。在boot.asm文件中能找到CONST_COPY這個(gè)標志量，為了實(shí)現所需要的功能，它應被賦值為1。對boot.asm文件的編輯完成之后，就可以將其編譯生成目標文件，執行語(yǔ)句：

其中對于不同的DSP需要使用不同的參數，對于240xA來(lái)說(shuō)，應該使用2xx來(lái)代替“”。語(yǔ)句執行完后會(huì )生成boot．obj文件。再執行語(yǔ)句：

這時(shí)它就替換了庫里的同名文件。在編譯時(shí)編譯器就會(huì )自動(dòng)增加拷貝.const段到數據空間的語(yǔ)句。這種方法不必修改程序，代價(jià)是犧牲了一定的數據存儲空間，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)主要出現在初始化中。這應該是最經(jīng)濟實(shí)用的方法。

3結束語(yǔ)

對常量處理的3種方法中，第方法1和方法3相對較容易實(shí)現。其中方法1對于自己編寫(xiě)的少量代碼修改起來(lái)比較方便，但是如果碰到庫函數中用到.const的情況，就需要像第方法3一樣提取庫函數中的代碼，來(lái)修改這個(gè)庫函數，在挖掘機軌跡控制程序中用到atan函數就是這種情況。這種做法對每個(gè)這樣的函數都要執行同樣的操作，顯然不是最佳解決辦法。

方法3雖然必須修改cmd文件和庫文件，但是它是一勞永逸的。生成相應的庫函數和cmd文件以后，對任何帶有const的代碼都不再需要做任何修改。所以這種方法也是TI推薦的方法，在TI的數據手冊TMS320C2x／C2xx／C5x Optimizing C Compiler User’sGuide(SPRU024E)中有對它的說(shuō)明。

本課題已經(jīng)通過(guò)國家863計劃專(zhuān)家組的驗收，該智能化挖掘機軌跡控制系統已經(jīng)交付柳工使用。