为μC／OS0II添加加载外部程序支持

蔡富强，郭兵，沈艳

（1.四川大学 计算机学院，成都610065；2.电子科技大学）

蔡富强（硕士生），主要研究方向为嵌入式实时系统；郭兵（教授），主要研究方向为嵌入式实时系统、SoC和中间件；沈艳（副教授），主要研究方向为虚拟仪器、分布式测试。

引 言

嵌入式系统是一个专用的计算机系统，它在现实生活中有着极其广泛的用途，大到飞机、宇宙飞船，小到各种手持设备（如手机），都是嵌入式系统的具体应用。可以说，嵌入式系统已经渐渐融入我们的生活，变得不可或缺。这种趋势将随着物联网［1］的推广变得更加明显。

嵌入式系统的一个比较关键的技术就是嵌入式操作系统。目前常用的嵌入式操作系统有 Linux、μC／OS［2］、WinCE、VxWorks、Symbian等，其中μC／OS以其开放源码、高效而小巧，同时又兼具实时性等特点得到了比较广泛的应用。

μC／OS中只实现了操作系统的一些基本功能（带优先级可抢占的进程管理和一个比较简单的内存管理方案），这是它只有几千行代码的基本原因。正因为如此，它并不适用于所有嵌入式应用，尤其是面向高端的应用。为了拓展μC／OS的应用范围，很多改进措施被提出。一些学者为μC／OS添加功能模块，以拓展其应用，如TCP／ⅠP协议栈、GUⅠ、文件系统等，参考文献［3］为μC／OS添加内存文件系统，参考文献［4］为μC／OS添加基于FAT的Flash文件系统；也有学者改进μC／OS的基本模块，以满足新的需求，参考文献［5］改进了μC／OS的任务调度模块，参考文献［6］解决μC／OS消息队列数据通信安全问题；参考文献［7］扩展μC／OS到可重构系统，使其支持软硬件任务的统一调度。

本文也以拓展μC／OS应用为目的，为μC／OS添加加载外部可执行程序支持，同时也提出一种内存分配方案，以实现为程序映像和栈高效分配内存。由于目前在嵌入式领域应用最多的处理器为ARM系列，本功能的实现针对ARM平台。

1 内存分配

μC／OS内核实现的内存分配方案支持多种大小的内存块，但不同大小内存块之间独立管理，这种实现使用不方便，不能实现动态而高效的内存分配。本文提出一种独立的内存管理机制，以实现为程序映像和栈高效分配内存。

实现参考了Linux内核的分区页面管理算法［8］。将全局内存划分为以512字节为单位的块，并为每个内存块建立描述符，通过描述符来管理内存块。内存块按块数的几何级数组织成多级链表，第一级用于分配1个块，第二级用于分配地址连续的2个块，第三级用于分配地址连续的4个块，依次类推。由连续内存块的首块内存的描述符参与链表链接。将实现下面几个函数，具体描述见1.2小节。

1.1 数据结构定义

实现该内存管理，需要一些全局变量和数据结构定义。ⅠNT8U＊pmem指向静态分配的全局内存。块描述符的定义如下：

BLOCK＿DESC表示内存块描述符，每个内存块都有一个内存描述符，并且从前到后一一对应。next和prev用于多级链表的链接；order的最高位表示该连续的内存块序列是否被使用，其余位表示所属链表级数。链表级数根据全局内存大小自动调整，在嵌入式应用中一般不超过10（能分配最大512KB的连续内存），用ⅠNT8Ugorder表示链表的级数。BLOCK＿DESC＊desc＿begin表示块描述符的首地址。void＊block＿begin表示内存块的首地址。BLOCK＿DESC＊desc＿list［11］用于链接多级链表。

1.2 函数实现

DescToBlock函数实现从内存块描述符地址到内存块地址的转换。由于块描述符与内存块依次对应，只要有两者的内存首地址，就很容易实现。具体实现只需要下面的表达式：return（char＊）block＿begin＋ （desc－desc＿begin）＜＜9。BlockToDesc函数功能正好相反，实现方式类似。

BlockMemⅠnit函数完成该内存管理方案的初始化。首先，根据提供的全局内存的大小确定多级链表级数，最多为10级，并初始化全局变量gorder，内存块数为size／（512＋sizeof（BLOCK＿DESC））；然后，根据全局内存能够容纳的内存块数将其分为两部分，前面用于存储所有的块描述符（将块描述符清零），后面部分就是用于分配的内存块，并初始化全局变量block＿begin和desc＿begin；最后，将内存块按最大化的原则分配于多级链表中，理想情况下所有的内存块都分配于所支持的最大级链表中，大小不满足的则分配到低级别的链表中（仍须按最大化原则）。

图1表示初始化后的内存布局（虚线表示不一定存在）。

GetBlocks函数用于分配（1＜＜order）个连续的内存块。算法描述如下：

① 检查参数order是否有效，无效返回null，有效继续；

②检查order级链表是否有空闲内存，没有转下一步，否则从链表中取出第一块，修改描述符的使用标志位，通过函数DescToBlock获取内存地址并返回；

③ 从更高级别获取空闲内存，如果获取失败，返回null，否则，逐级分裂直到order级链表，并修改首个描述符的所属链表级数，转第二步。

图1 初始化后的内存布局

FreeBlocks函数用于释放指定地址处开始的（1＜＜order）个连续的内存块。该函数是实现高效内存分配的关键，为了保证内存不会被分得过碎，需要迭代检查释放内存是否可以同相邻的内存合并（看描述符order字段是否相同）。算法描述如下：

①通过函数BlockToDesc获取块描述符的地址，将描述符设置为未使用；

② 检查order级链表中是否有与待释放内存相邻的内存（前后都有相邻的选前面的参与合并）。如果没有相邻的，转第③步。否则，将相邻内存的首个内存块描述符从链表中删除，修改相关的两个块描述符的order字段（在前面的加1，后面的清零），参数order加1，继续执行第②步；

③ 将内存插入order级链表中。

2 加载程序

要实现外部程序加载，需要操作系统和编译器的密切配合，整个过程非常复杂。为了使程序加载器尽可能简单和高效，采用下面的措施：

① 修改编译μC／OS内核的Makefile文件，使内核链接地址和加载地址相同，通过NM工具导出内核函数地址表。将地址表以函数指针的形式组织在头文件中，另外还须在头文件中加入内核中关于数据类型和结构的定义，供外部程序使用。以本文第一部分中的BlockMemⅠnit函数为例，假设函数地址位于0x00008000，在头文件中作如下声明即可：

② 使main函数的代码位于程序映像的入口处（为简单起见，main函数不支持参数）。只需采用下面措施即可。编程时保证main函数是所在文件中第一个被实现的函数，修改LD链接脚本使包含main函数的目标文件的代码段位于整个可执行程序的开始。

③通过OBJCOPY工具将链接生成的ELF格式的可执行程序转化为二进制映像。

④ 为μC／OS添加函数void Exec（char＊name），用于加载二进制映像，并为其创建进程。

通过以上措施，加载器的实现非常简单，只需为二进制映像分配内存并将其加载进内存，然后调用函数OSTaskCreate（二进制映像加载地址（main），null，通过函数 GetBlocks分配的栈空间，优先级）即可，由于ARM平台没有直接内存寻址模式，二进制映像不需要重定位就可执行。图2为Exec函数的流程。

图2 Exec函数执行流程

结 语

测试时采用S3C2440系列开发板作为目标平台。首先，修改u－boot，以使其能够加载μC／OS到指定地址处，并完成内核的引导工作；其次，移植μC／OS，使其能够在S3C2440系列开发板上运行；然后，按参考文献［3］或［4］中提供的方法为μC／OS实现文件系统支持；最后，按本文中的方法实现二进制映像加载功能。经测试，该方案是可行的。当然，该方案也存在一定的局限性，如只针对ARM平台，内存分配方案还不能通用（对小内存块分配利用率低），又由于μC／OS内核不支持保护模式，安全性也是一个问题。

［1］王保云.物联网技术研究综述［J］.电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1－7.

［2］Labrosse Jean J.嵌入式实时操作系统μC／OS－ⅠⅠ［M］.邵贝贝，等译.2版.北京航空航天大学出版社，2003.

［3］张红兵.大容量内存文件系统设计及μC／OS下的实现［J］.单片机与嵌入式系统应用，2004（3）：15－20.

［4］王命延.一种加载在μC／OS－ⅠⅠ内核上的嵌入式文件系统［J］.南昌大学学报：理科版，2005，29（2）：197－204.

［5］张旭.μC／OS ⅠⅠ内核任务调度模块的分析与改进［J］.单片机与嵌入式系统应用，2005（4）：71－76.

［6］曾蜀芳.μC／OS－ⅠⅠ中消息队列通信的数据安全问题［J］.计算机技术与发展，2009，19（8）：151－154.

［7］周博.SHUM－UCOS：基于统一多任务模型可重构系统的实时操作系统［J］.计算机学报，2006，29（2）：208－218.

［8］Bovet Daniel P，Cesati Marco.深入理解Linux内核［M］.陈莉君，等译.2版.北京：中国电力出版社，2004：223－268.