RT－Thread在LPC2378上的移植與應(yīng)用

涂 撰， 趙 標

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海200240；2.上海船舶運輸科學研究所 研發(fā)中心，上海200135）

0 引 言

嵌入式實時操作系統(tǒng)RT－Thread是由國內(nèi)開發(fā)人員主創(chuàng)的穩(wěn)定的開源實時操作系統(tǒng)，它得益于中國開源社區(qū)的發(fā)展，已經(jīng)歷了6年的開發(fā)，得到了來自全國各地嵌入式工程師的鼎力支持。現(xiàn)在它不僅是一款開源意義的實時操作系統(tǒng)，也是一款產(chǎn)品級的實時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)十多所企業(yè)所采用，是一款能夠穩(wěn)定持續(xù)運行的操作系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。

嵌入式實時操作系統(tǒng)RT－Thread采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計風格，但不同于一般的面向?qū)ο笙到y(tǒng)，它并不是利用C＋＋實現(xiàn)的，而是采用了C語言的方式實現(xiàn)面向?qū)ο缶幊?。這樣的系統(tǒng)內(nèi)核簡潔、高效、穩(wěn)定和易于移植。它不僅是單一的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，還包含了一系列完整的嵌入式組件，如：Fin SH Shell命令行工具、分布式文件系統(tǒng)（Distributed File System，DFS）、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧l wip、圖形用戶界面RTGUI和完整的C運行庫等。

NXP公司推出的32位RISC處理器LPC2378采用了ARM7 TDMI內(nèi)核，具有豐富而獨特的外設(shè)，功能強大，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，能夠最小化系統(tǒng)成本，性價比高，十分適合于如工業(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備等嵌入式應(yīng)用。因此，將嵌入式實時操作系統(tǒng)RT－Thread移植到LPC2378芯片具有現(xiàn)實意義。

1 RT－Thread與其他嵌入式操作系統(tǒng)的比較

隨著在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)中廣泛的采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，使得實時系統(tǒng)（Real－Ti me Operating System，RTOS）有了很快的發(fā)展。常見的嵌入式實時操作系統(tǒng)主要有free RTOS、u C／OS－II、Vx Wor ks、QNX等。表1中列舉了u C／OS－II、free RTOS、Vx Works和RT－Thread的比較。

表1 RT－Thread與其他RTOS的比較

2 RT－Thread的移植

2.1 RT－Thread目錄結(jié)構(gòu)

RT－thread的源代碼可由官方網(wǎng)站獲取，或者通過Google SVN下載。目前RT－Thread最新的穩(wěn)定版本是1.0.0，最新的測試版本為1.1.0beta1。RT－thread源代碼的目錄結(jié)構(gòu)見圖1。

板級支持包（Boar d Support Package，BSP）和libcpu文件夾中的內(nèi)容均與中央處理器（Central Pr ocessing Unit，CPU）類型和硬件平臺有關(guān)，因此是移植RT－Thread的重點。其他部分都與硬件平臺無關(guān)。

2.2 RT－Thread開發(fā)環(huán)境

RT－Thread有多種開發(fā)環(huán)境，如scons命令行、GNU的GCC編譯環(huán)境和ARM公司的MDK開發(fā)工具等。個人可以根據(jù)各自習慣選擇合適的開發(fā)環(huán)境。RT－Thread發(fā)展到0.3.0以后，主要的編譯器切換到了ARM公司的Real View ARM Co mpiler，因此推薦采用ARM公司的MDK作為開發(fā)工具。

2.3 移植過程

RT－Thread在LPC2378上的移植是通過Real View MDK工具進行的。首先在RT－Thread源碼的bsp目錄下新建l pc2378目錄，將與LPC2378相近的芯片（如l pc2478）目錄內(nèi)容拷貝到新建目錄下。在Real View MDK中新建立1個工程文件，保存在bsp／l pc2378目錄下。創(chuàng)建工程時CPU選擇NXP的LPC2378芯片，可以使用工具自動生成的啟動文件。由于需要修改部分代碼以適應(yīng)RT－Thread，因此建議不采用自動生成文件，導入自己編寫的啟動代碼。

修改啟動文件start＿rvds.s，主要是修改對中斷請求（Interr upt Request，IRQ）代碼的處理，由 RTThread操作系統(tǒng)截獲，重新實現(xiàn)。實現(xiàn)代碼如下：IRQ＿Handler PROC

圖1 RT－Thread 1.0.0版本的目錄結(jié)構(gòu)

rt＿h w＿context＿s witch＿interr upt＿do為中斷結(jié)束后實現(xiàn)上下文切換的函數(shù)。在啟動代碼中，還要對目標板進行看門狗初始化，關(guān)閉系統(tǒng)中斷，配置芯片時鐘、內(nèi)存映射方式等。

上下文切換文件context＿r vds.s，由于ARM體系結(jié)構(gòu)的相似性，基本不用修改。

trap.c文件與ARM體系結(jié)構(gòu)的中斷模式有關(guān)，但是需要重新實現(xiàn)的只有rt＿hw＿trap＿irq函數(shù)。該函數(shù)用于判斷IRQ來自芯片的何種外設(shè)。通過總的中斷向量寄存器獲取當前中斷向量，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，具體實現(xiàn)如下所示。對于不同芯片這里的實現(xiàn)略有不同。

修改interr upt.c文件，根據(jù)不同的芯片類型對于中斷管理略有不同。需要實現(xiàn)的函數(shù)如下：rt＿h w＿interrupt＿handle，默認的IRQ處理函數(shù)，一般可以只輸出一些提示信息，如點燈或者串口打印等；rt＿hw＿interr upt＿init，中斷初始化函數(shù)；rt＿h w＿interr upt＿mask，中斷屏蔽函數(shù)，參數(shù)為中斷號；rt＿h w＿interr upt＿u mask，中斷禁止屏蔽函數(shù)，參數(shù)同為中斷號；rt＿hw＿interrupt＿install，中斷服務(wù)程序安裝函數(shù)，將中斷服務(wù)程序安裝到對應(yīng)的中斷向量上。

cpu.c文件，主要是CPU復位函數(shù)和關(guān)閉函數(shù)，可以根據(jù)LPC2378芯片手冊修改，也可不修改，直接為空函數(shù)。

stack.c文件，“手工”設(shè)置線程的初始棧，使調(diào)度器明確切換線程的入口地址和參數(shù)地址。同樣，由于ARM體系結(jié)構(gòu)的相似性，基本不用修改。

最后是操作系統(tǒng)心跳時鐘的移植。操作系統(tǒng)心跳時鐘以及相關(guān)硬件的初始化工作在BSP包中實現(xiàn)，其內(nèi)容就是初始化1個硬件定時器并啟動它，同時編寫好定時器中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中調(diào)用rt＿tick＿increase函數(shù)，告知操作系統(tǒng)內(nèi)核心跳了1次。

3 RT－Thread的設(shè)備驅(qū)動框架

完成操作系統(tǒng)內(nèi)核移植后，更重要的工作就是編寫與目標板對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。RT－Thread與Vx－Works一樣，在設(shè)備驅(qū)動程序和上層應(yīng)用之間提供了1個中間層，用于管理I／O類設(shè)備，稱為I／O設(shè)備管理模塊。

I／O管理模塊實現(xiàn)了對設(shè)備驅(qū)動程序的封裝，設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)與I／O管理模塊獨立，提高了模塊的可移植性。應(yīng)用程序通過I／O管理模塊提供的標準接口訪問底層設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動程序的升級不會對上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。這種方式降低了代碼的復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

在RT－Thread中，設(shè)備也被認為是1類對象，每個設(shè)備對象都是由基對象派生而來，每個具體設(shè)備都可以繼承其父類對象的屬性，并派生出其私有屬性。圖2為設(shè)備對象的繼承和派生關(guān)系示意圖［3］。

圖2 設(shè)備對象的繼承和派生關(guān)系示意圖

該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是RT－Thread的設(shè)備基對象。實現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動函數(shù)就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的接口函數(shù)的具體化。

1.實現(xiàn)str uct rt＿device中的公共接口函數(shù)，以串口設(shè)備為例：

rt＿serial＿init函數(shù)實現(xiàn)init接口功能，即設(shè)備初始化；

rt＿serial＿open函數(shù)實現(xiàn)open接口功能，即打開設(shè)備；

rt＿serial＿close函數(shù)實現(xiàn)close接口功能，即關(guān)閉設(shè)備；

rt＿serial＿read函數(shù)實現(xiàn)read接口功能，即讀取設(shè)備數(shù)據(jù)；

rt＿serial＿write函數(shù)實現(xiàn)write接口功能，即向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)；

rt＿serial＿control函數(shù)實現(xiàn)contr ol接口功能，即設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

所有函數(shù)不一定都要實現(xiàn)，比如rt＿serial＿close，可以只是1個空函數(shù)，返回rt＿err＿t類型數(shù)據(jù)即可。

2.根據(jù)自己的具體設(shè)備對象定義設(shè)備數(shù)據(jù)類型中的私有數(shù)據(jù)，用于特定的需要。

3.擴展設(shè)備對象。

1）利用str uct rt＿device作為父類，增加屬性進行派生，如以串口設(shè)備為例：

2）定義自己的數(shù)據(jù)類型，將str uct rt＿device中的void＊private指向該數(shù)據(jù)類型。

4.利用rt＿device＿register函數(shù)將設(shè)備注冊到RT－Thread的設(shè)備框架中。

5.對于需要使用中斷等異步方式的設(shè)備驅(qū)動，還需要編寫相應(yīng)中斷服務(wù)程序。在init接口函數(shù)中掛接相應(yīng)的中斷向量。

4 RT－Thread應(yīng)用程序的編寫

RT－Thread最開始由main函數(shù)調(diào)用rtthread＿startup函數(shù)，完成對目標板的中斷向量初始化、心跳時鐘定時器的初始化、系統(tǒng)內(nèi)核的初始化、相關(guān)組件的初始化、外圍設(shè)備的初始化、調(diào)用用戶接口函數(shù)和空閑任務(wù)的初始化等。在rt＿system＿scheduler＿start函數(shù)開始任務(wù)調(diào)度以前，用戶必須確認操作系統(tǒng)至少建立1個除idle任務(wù)以外的任務(wù)才能保證內(nèi)核的順利調(diào)度，無論這個任務(wù)是系統(tǒng)自身組件的任務(wù)（如tshell），還是用戶自己的任務(wù)。在用戶接口函數(shù)rt＿application＿init中，用戶可以根據(jù)需要創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序。

5 測試及結(jié)論

完成了RT－Thread在LPC2378芯片的移植之后，編寫了1個CAN－Et her net網(wǎng)關(guān)的多任務(wù)應(yīng)用程序，一方面可以進行RT－Thread移植后的穩(wěn)定測試；另一方面也為RT－Thread在產(chǎn)品化方面做研究。圖3顯示了串口終端輸出的內(nèi)容，通過Fin SH Shell指令，可以觀察內(nèi)核的運行情況和各個任務(wù)的運行信息。通過程序的測試，表明RT－Thread已能在LPC2378芯片穩(wěn)定運行。

圖3 RT－Thread CAN－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)多任務(wù)程序串口輸出

6 結(jié) 語

嵌入式實時操作系統(tǒng)RT－Thread與其他國外成熟的操作系統(tǒng)相比，還是1個新系統(tǒng)。但是隨著中國開源社區(qū)的發(fā)展，越來越多的開發(fā)人員參與到RT－Thread的更新維護中，越來越多的企業(yè)公司選擇RTThread作為操作系統(tǒng)平臺，這必將推動RT－Thread在國內(nèi)穩(wěn)定、持續(xù)的發(fā)展，對于企業(yè)和RT－Thread開源社區(qū)都將形成雙贏的局面。同時，將RT－Thread移植到LPC2378芯片，可以為RT－Thread和LPC2378的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)起到拋磚引玉的作用。

［1］ 朱傳宏，張麗全.嵌入式實時操作系統(tǒng)RT－Thread在SEP4020上的移植［J］.計算機與數(shù)字工程，2010（11）：93－96.

［2］ 邱煒.嵌入式實時操作系統(tǒng)RT＿thread的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學，2007.

［3］ 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］ 馬忠梅，馬廣云，徐英慧，等.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京：航空航天大學出版社，2002.