本文基于GD32微控制器和RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，構(gòu)建了一種軟硬件自主可控的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。研究了RT-Thread操作系統(tǒng)在GD32芯片開發(fā)板上的移植方法和驅(qū)動程序改寫，并編寫多任務(wù)應(yīng)用程序測試了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。為嵌入式控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。

引 言

由微控制器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)共同構(gòu)成的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、能源供給、國防裝備等眾多領(lǐng)域被廣泛使用，是實(shí)現(xiàn)自動化技術(shù)的核心中樞。目前，國內(nèi)所采用的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)大多基于國外的微控制器芯片和軟件產(chǎn)品，在“棱鏡門”和“Stuxnet病毒”事件后關(guān)鍵領(lǐng)域所采用的嵌入式系統(tǒng)安全問題已被國內(nèi)用戶所重視，發(fā)展自主可控、安全可靠的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)已成為必然趨勢。

伴隨微控制器芯片和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件的不斷發(fā)展和日趨成熟，基于國產(chǎn)軟、硬件產(chǎn)品構(gòu)建自主可控的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)條件。本文采用具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器GD32F207芯片和RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)建立了一套完全國產(chǎn)化的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，為國產(chǎn)自主可控嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的建立及應(yīng)用進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和有益探索。

01

嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有相似性，都是由主控制器芯片和外圍功能芯片構(gòu)成硬件電路基礎(chǔ)，再由可提供底層硬件操作功能的軟件作為操作系統(tǒng)，用戶最終通過操作系統(tǒng)對硬件進(jìn)行訪問和控制；嵌入式系統(tǒng)通常針對某個(gè)特定控制任務(wù)設(shè)計(jì)，因而具有實(shí)時(shí)處理能力、可靠性的要求，通用計(jì)算機(jī)的處理適用范圍廣，因此更注重兼容性而實(shí)時(shí)處理能力較弱。

1.1 GD32F207微控制器與開發(fā)板

GD32F2系列微控制器芯片為基于ARM Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，本文中采用的GD32F207ZET6芯片主頻最高可達(dá)120MHz，具有128KB的SRAM和512KB的Flash存儲容量，并且提供UART、ADC、以太網(wǎng)和LCD控制器等眾多外設(shè)功能接口，可以很大程度減少所需的外圍功能電路配置。Colibri-F207ZE開發(fā)板是基于該芯片設(shè)計(jì)的一款“口袋實(shí)驗(yàn)室”類型產(chǎn)品，如圖1所示，在板子上有與Arduino平臺引腳布局兼容的引出IO接口之外，還包括TFT顯示屏接口、2個(gè)用戶按鍵、3個(gè)LED指示燈、1個(gè)USB串口和板載GDLINK調(diào)試器功能。本文中將以此開發(fā)板作為硬件平臺構(gòu)建嵌入式控制系統(tǒng)。

圖1 Colibri-F207ZE開發(fā)板

圖2 RT-Thread操作系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.2 RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)始于2006年，并且遵循GPLv2+的版權(quán)許可協(xié)議。在經(jīng)過多年的能源、儀表、車輛等行業(yè)廣泛使用后，RT-Thread已經(jīng)被驗(yàn)證是一款穩(wěn)定、可靠的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。從文獻(xiàn)[6]中對RT-Thread與國際主流嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行的比較中，也可看出其具有優(yōu)越的性能。RT-Thread系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次框圖如圖2所示，其中內(nèi)核層（Kernel）是RT-Thread的關(guān)鍵部分涉及時(shí)鐘管理、實(shí)時(shí)調(diào)度、任務(wù)切換等核心操作；組件層（Components）主要提供Shell交互、文件系統(tǒng)、協(xié)議棧等附加操作功能；在內(nèi)核層與硬件之間是用于系統(tǒng)移植的軟件接口部分（Porting），其實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)對于硬件的各種具體操作功能。在本文中以最新發(fā)布的 RT-Thread 2.1.0版作為移植對象進(jìn)行分析、代碼修改并最終實(shí)現(xiàn)與Colibri-F207ZE開發(fā)板共同構(gòu)成嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

02

RT-Thread在GD32微控制器上的移植

RT-Thread操作系統(tǒng)已經(jīng)在GitHub上做了代碼托管，因此可直接從GitHub上下載獲取到RT-Thread 2.1.0版的源代碼壓縮文件包[7]。本文中采用MDK 5.16a版本的ARM開發(fā)工具進(jìn)行移植工作，并需要在MDK的Pack Installer中安裝GD32F2系列芯片的DFP支持包。在移植工作中完成了RT-Thread操作系統(tǒng)的串口通信和LED燈驅(qū)動功能，可實(shí)現(xiàn)RT-Thread與主機(jī)之間的Shell交互操作和對測試程序中運(yùn)行任務(wù)的直接觀察。

2.1 RT-Thread目錄結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換

打開下載得到的RT-Thread源代碼文件包可看到按代碼功能分類的目錄結(jié)構(gòu)，各文件夾所包含的內(nèi)容和用途分別為：

bsp文件夾：板級支持包，包含針對特定型號微控制器板卡和外部設(shè)備的驅(qū)動程序。

components：對應(yīng)RT-Thread操作系統(tǒng)的組件層，包含RT-Thread核心功能之外的大部分附加操作功能以及硬件設(shè)備驅(qū)動模型。

documentation：RT-Thread編程風(fēng)格說明，對開發(fā)人員和用戶掌握RT-Thread提供指引。

examples：針對RT-Thread操作系統(tǒng)的應(yīng)用和測試程序示例。

include：RT-Thread操作系統(tǒng)使用的頭文件，可供外部應(yīng)用程序調(diào)用。

libcpu：CPU支持包，包含對各種常見CPU的底層驅(qū)動程序，大部分為匯編語言開發(fā)。

src：對應(yīng)RT-Thread操作系統(tǒng)的內(nèi)核層，包含RT-Thread實(shí)時(shí)調(diào)度、時(shí)鐘管理、內(nèi)存分配、線程管理等全部核心功能。

tools：Scons構(gòu)建腳本文件，包含用于不同開發(fā)工具的各種腳本執(zhí)行文件。

根據(jù)RT-Thread源代碼文件包中各個(gè)文件夾的用途，結(jié)合GD32芯片所提供的外設(shè)固件庫、CMSIS配置文件和Colibri-F207ZE開發(fā)板的板級支持包構(gòu)建基于GD32F207芯片和RT-Thread操作系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中App文件夾中包括RT-Thread的啟動文件startup.c和用戶開發(fā)的應(yīng)用程序；GD32F207ZET6文件夾中包括硬件相關(guān)的兩個(gè)子文件夾，Colibri_BSP中是開發(fā)板的外設(shè)驅(qū)動程序，GD32F20x_StdPeriph_Driver中是GD32芯片所提供的外設(shè)固件庫，芯片驅(qū)動、配置和中斷處理文件；Obj文件夾中為MDK所建立的工程文件和存放編譯后得到的axf文件；RT-Thread210文件夾中包含RT-Thread操作系統(tǒng)的各軟件模塊，其為直接從源代碼文件包中相關(guān)內(nèi)容復(fù)制而來。

圖3 基于GD32芯片構(gòu)建的RT-Thread系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)

2.2 項(xiàng)目工程的建立與驅(qū)動程序改寫

在完成上述目錄結(jié)構(gòu)的構(gòu)建后，需要使用MDK開發(fā)工具將RT-Thread源代碼和GD32芯片的相關(guān)文件有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)RT-Thread操作系統(tǒng)在Colibri-F207ZE開發(fā)板上的移植工作。在MDK工具內(nèi)部各個(gè)文件按照邏輯關(guān)系進(jìn)行分組管理，這里以GD32開頭的組和嵌入式系統(tǒng)硬件相關(guān)，以RT開頭的組和操作系統(tǒng)軟件相關(guān)，如圖4所示。這種分組結(jié)構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)軟硬件隔離，便于日后硬件部分或軟件部分代碼的升級替換工作。

2.2.1 軟硬件配置與代碼修改

在RT-Thread和GD32的配置中采用宏定義方式實(shí)現(xiàn)對所需軟件功能模塊的條件編譯和芯片性能參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到對嵌入式系統(tǒng)軟、硬件裁剪和配置的目的。因此，在移植過程中需要對這些宏定義進(jìn)行有選擇的設(shè)置。

修改system_GD32f20x.c文件，該文件中主要實(shí)現(xiàn)GD32的系統(tǒng)時(shí)鐘和AHB、APB總線上掛接各部件的時(shí)鐘樹配置，本文中將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為72MHz。

修改colibri_board.h文件，該文件主要用于設(shè)置GD32芯片內(nèi)、外部RAM的容量，根據(jù)本文中所使用的GD32F207ZET6芯片，將內(nèi)部RAM容量設(shè)置為128KB；開發(fā)板未擴(kuò)展外部RAM，將對應(yīng)的宏定義GD32_EXT_SRAM設(shè)置為0。

修改rtconfig.h文件，該文件主要用于RT-Thread操作系統(tǒng)的參數(shù)配置以及軟件功能模塊的裁剪。用戶可根據(jù)需要設(shè)置，保留的軟件功能模塊越多，則編譯后的HEX文件尺寸越大且需要的運(yùn)行RAM越多。本文中將RT-Thread最大優(yōu)先級RT_THREAD_PRIORITY_MAX設(shè)置為16；每秒節(jié)拍數(shù)RT_TICK_PER_SECOND設(shè)置為100；啟用了控制臺和Shell交互功能RT_USING_CONSOLE和RT_USING_FINSH以方便應(yīng)用程序調(diào)試。

圖4 對GD32芯片和RT-Thread系統(tǒng)文件的分組管理

2.2.2 設(shè)備驅(qū)動程序的改寫

編寫驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)移植過程中的重要一步，其用于實(shí)現(xiàn)軟件對硬件的最終操作。在RT-Thread中驅(qū)動程序?qū)儆赑orting層采用了統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動模型框架，可以被應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)訪問和調(diào)用，在文獻(xiàn)[6，8，9]中對RT-Thread設(shè)備驅(qū)動框架的構(gòu)成進(jìn)行了說明。由于GD32F2系列微控制器與STM32微控制器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有相似性，因此在本文中通過對RT-Thread源代碼文件包中/bsp/stm32f10x/drivers子文件夾內(nèi)驅(qū)動程序進(jìn)行改寫的方法實(shí)現(xiàn)Colibri-F207ZE開發(fā)板上串口通信和LED燈的驅(qū)動程序。對于GD32芯片上其它功能接口的驅(qū)動程序，都可根據(jù)需求而參考此種方法進(jìn)行改寫。

以實(shí)現(xiàn)串口通信功能的驅(qū)動程序改寫為例，應(yīng)用程序通過I/O設(shè)備模塊中的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)和設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)二者之間映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)對底層I/O設(shè)備控制，如圖5所示。其中標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)不需修改，由RT_DeviceDrivers分組中的serial.c文件實(shí)現(xiàn)；而串口驅(qū)動程序則由GD32_BSP分組中的colibri_board_usart.c文件實(shí)現(xiàn)，需要對相應(yīng)的功能函數(shù)和配置進(jìn)行修改。改寫的內(nèi)容主要包括替換片上外設(shè)訪問層頭文件、實(shí)現(xiàn)串口通信功能的芯片管腳定義、rt_hw_usart_init()函數(shù)中的串口參數(shù)設(shè)置和通過rt_hw_serial_register()函數(shù)將串口設(shè)備注冊到RT-Thread設(shè)備驅(qū)動框架中，即實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)與串口設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)。需要注意的是GD32與STM32兩種芯片在各自外設(shè)固件庫中提供的結(jié)構(gòu)體定義和函數(shù)功能是類似的但是名稱不一致，需要在移植過程中進(jìn)行修改，表1列出了串口驅(qū)動程序colibri_board_usart.c文件中需要修改的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)名稱。得益于Cortex內(nèi)核遵循的CMSIS接口標(biāo)準(zhǔn)和RT-Thread所采用的設(shè)備驅(qū)動框架機(jī)制，對設(shè)備驅(qū)動程序只需做上述少量改寫即可完成不同芯片間的移植工作。

圖5 應(yīng)用程序操作底層設(shè)備的接口函數(shù)映射

表1 串口驅(qū)動程序中需要修改的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)名稱

2.3 RT-Thread測試應(yīng)用程序編寫

開發(fā)板在上電后GD32芯片復(fù)位，通過文件startup_gd32f20x_cl.s中復(fù)位地址處的加載指令調(diào)用RT-Thread系統(tǒng)main()函數(shù)（位于startup.c文件中），在完成開發(fā)板、RT-Thread系統(tǒng)內(nèi)核、定時(shí)器、用戶任務(wù)和空閑任務(wù)等的初始化后，通過rt_system_scheduler_start()函數(shù)啟動RT-Thread調(diào)度器實(shí)現(xiàn)對各個(gè)用戶任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。為驗(yàn)證RT-Thread在Colibri-F207ZE開發(fā)板上的移植是否成功，使用rt_thread_init()函數(shù)建立兩個(gè)用戶任務(wù)分別控制兩個(gè)LED燈按照0.5秒和1秒的周期閃爍。

03

嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的測試

在完成RT-Thread在Colibri-F207ZE開發(fā)板上的移植和測試程序編寫后，將經(jīng)過MDK編譯得到的axf文件下載到開發(fā)板上運(yùn)行。通過上位機(jī)的串口通信工具可以和RT-Thread提供的Shell進(jìn)行交互操作，并使用相應(yīng)指令觀察RT-Thread系統(tǒng)運(yùn)行和RAM的使用情況，如圖6所示。可以看到共有4個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，其中LED_GREE和LED_RED是控制LED燈閃爍的用戶任務(wù)，tshell和tidle分別是系統(tǒng)的shell交互任務(wù)和空閑任務(wù)；在RT-Thread中注冊有一個(gè)設(shè)備，就是提供Shell功能的uart1串口。通過該測試程序，表明RT-Thread已經(jīng)在Colibri-F207ZE開發(fā)板上穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的移植效果。

圖6 RT-Thread系統(tǒng)Shell交互界面

結(jié) 語

本文基于GD32微控制器和RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)建了一種嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其具有軟硬件自主可控、安全可靠的特點(diǎn)為工業(yè)生產(chǎn)、國防裝備等軍民應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域提供了有效解決方案。通過本文的研究和探索，在自主可控嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的構(gòu)建方面積累了技術(shù)檢驗(yàn)，為后期配套應(yīng)用開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。