基于ATSAM3X4E的uTenux 系統(tǒng)移植及驗(yàn)證

許冬霞

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥230051）

隨著物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的興起，國(guó)內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)軟件平臺(tái)建設(shè)的投入也越來(lái)越多。面向微控制器的小型嵌入式操作系統(tǒng)引起了相關(guān)技術(shù)研究人員的關(guān)注，其中國(guó)內(nèi)開源社區(qū)的uTenux操作系統(tǒng)逐漸被開發(fā)人員所了解。uTenux系統(tǒng)包含小巧、開源、免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持ARM架構(gòu)平臺(tái)和較豐富的中間件資源，在微控制領(lǐng)域應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)。Atmel公司的ATSAM3X4E芯片是以面向終端控制應(yīng)用為目的而設(shè)計(jì)的一款特色芯片，本文考慮將uTenux開源嵌入式系統(tǒng)移植到ATSAM3X4E芯片上，將會(huì)在一定程度上豐富該控制芯片的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)也使國(guó)內(nèi)開源系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)終端控制領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。

1 uTenux系統(tǒng)介紹

uTenux系統(tǒng)是近年來(lái)起源于國(guó)內(nèi)uTenux開源社區(qū)的一個(gè)小型操作系統(tǒng)，因其代碼完全開源和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，而被開源社區(qū)愛(ài)好者所熟悉，逐漸在ARM微控制器上得到了應(yīng)用［1］。uTenux的發(fā)展方向從早期支持ARM7芯片架構(gòu)，過(guò)渡到部分支持現(xiàn)在主流的Cortex－M架構(gòu)芯片。作為專用于微控制器的小微型操作系統(tǒng)，uTenux有著非常小的資源占用量，僅占用大約10k左右的RAM和40k左右的ROM存儲(chǔ)資源。在中間件協(xié)議支持方面，uTenux也有豐富的精簡(jiǎn)型協(xié)議棧支持［2］，例如圖形用戶庫(kù)emWin和FatFS文件系統(tǒng)，以及面向工業(yè)控制的CAN協(xié)議和Modbus等。uTenux系統(tǒng)采用了清晰的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中Board層包含硬件和驅(qū)動(dòng)層，uT／Kernel層是uTenux的實(shí)時(shí)內(nèi)核，uT／Lib是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的函數(shù)庫(kù)，uT／Subass層是uTenux的協(xié)議棧中間件。uTenux實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)豐富的資源具有較強(qiáng)的管理功能，使得在面對(duì)大多數(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)游刃有余。表1列出了Kernel層包含的主要實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核資源對(duì)象。

表1 uTenux內(nèi)核資源

2 ATSAM3X4E芯片

ATSAM3X4E是Atmel公司的新一代ARM Cortex－M3芯片，是ATSAM3系列產(chǎn)品之一，具有豐富的外設(shè)接口和較低的功耗，可從軟件配置上選擇睡眠、等待和備份3種低功耗模式，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用控制中具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用ARM公司提供的工具軟件和Cortex－M微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（CMSIS）庫(kù)，可使得微控制應(yīng)用開發(fā)比以往更加方便快捷。

ATSAM3X4E的內(nèi)核主頻高達(dá)84MHz，并內(nèi)建可嵌套的硬件中斷控制器NVIC，支持片上256kB的Flash和64kB的RAM存儲(chǔ)空間，在低成本和高存儲(chǔ)量之間做了較好的平衡，同時(shí)滿足uTenux開源系統(tǒng)移植對(duì)存儲(chǔ)的要求。ATSAM3X4E芯片的優(yōu)點(diǎn)包括內(nèi)核支持Thumb－2指令集并內(nèi)建24位的systick定時(shí)器，使得uTenux移植時(shí)不借用外部定時(shí)器也可進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的配置。芯片具有2個(gè)PLL單元，分別提供USB 2.0的高速設(shè)備時(shí)鐘源和其他外設(shè)的普通設(shè)備時(shí)鐘源。具有1個(gè)UART接口和4個(gè)USART接口，基本滿足了大部分場(chǎng)合的應(yīng)用通信要求。

因?yàn)锳tmel公司的芯片ATSAM3X4E定位于工業(yè)電機(jī)控制或汽車電子控制等應(yīng)用環(huán)境［3］，這對(duì)運(yùn)行于其上的軟件實(shí)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求，同時(shí)也要求uTenux系統(tǒng)的移植結(jié)果必須得到驗(yàn)證。

3 uTenux系統(tǒng)移植過(guò)程

uTenux系統(tǒng)的移植過(guò)程包括對(duì)芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的移植、存儲(chǔ)地址映射的配置、Flash存儲(chǔ)介質(zhì)的初始化配置和UART通信接口的移植等［4］。限于篇幅，本文僅介紹主要的系統(tǒng)時(shí)鐘和UART通信接口的移植要點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)時(shí)鐘的移植

uTenux的系統(tǒng)時(shí)鐘基于ATSAM3X4E微控制器的硬件時(shí)鐘單元而確定，實(shí)際操作是通過(guò)配置芯片的能耗管理控制器PMC（Power Management Controller）來(lái)調(diào)節(jié)微控制器的運(yùn)行頻率［5］。ATSAM3X4E有2個(gè)時(shí)鐘源：分別是12／8／4MHz片內(nèi)RC振蕩器和3～20MHz的片外晶體振蕩器。用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境，選擇12／8／4MHz的片內(nèi)RC振蕩器，或者使用3～20MHz外部晶體振蕩器作為芯片主時(shí)鐘的時(shí)鐘源。系統(tǒng)移植時(shí)選擇主時(shí)鐘需進(jìn)行時(shí)鐘源的配置。

一般而言芯片通電啟動(dòng)時(shí)芯片內(nèi)部的RC振蕩器被選擇為MCU的默認(rèn)時(shí)鐘源，或者切換到等待模式時(shí)選用RC振蕩器為時(shí)鐘源。片上12／8／4MHz的內(nèi)部RC振蕩器由于切換迅速、等待時(shí)間短，而且其還具有配置簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可在要求不高的場(chǎng)合下選用。如果MCU處于高性能工作狀態(tài)，因RC振蕩器在高頻條件下的穩(wěn)定性和抗干擾能力弱于片外晶體振蕩器，3～20MHz的片外晶體振蕩器可滿足穩(wěn)定且更加精確的時(shí)鐘源，所以在移植過(guò)程中，uTenux系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)將會(huì)從片內(nèi)高速RC振蕩器切換到外部晶體振蕩器。主要配置可參見(jiàn)表2中的ATSAM3X4E芯片時(shí)鐘寄存器。

表2 ATSAM3X4E主要時(shí)鐘配置寄存器

實(shí)驗(yàn)在ATSAM3X4E上移植uTenux時(shí)主要配置如下：

在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是每次寫入響應(yīng)的配置寄存器后，需要進(jìn)行循環(huán)等待，直到時(shí)鐘發(fā)生器的狀態(tài)寄存器穩(wěn)定后，才可進(jìn)行下一步驟的時(shí)鐘配置。

3.2 移植UART

大量數(shù)據(jù)的傳輸可采用串行UART收發(fā)器用來(lái)進(jìn)行。異步模式工作下的UART，無(wú)需時(shí)鐘引腳，可設(shè)置為帶校驗(yàn)位的8位數(shù)據(jù)處理方式。UART模塊的組成包括數(shù)據(jù)發(fā)送器、數(shù)據(jù)接收器以及為UART提供時(shí)鐘源的波特率產(chǎn)生器。通過(guò)不斷對(duì)信號(hào)URXD采樣，UART接收器可發(fā)現(xiàn)接收字符的起始位（Start Bit），如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)則會(huì)循環(huán)檢測(cè)，直到有效起始位出現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)中，當(dāng)連續(xù)大于7個(gè)以上時(shí)鐘周期信號(hào)URXD是低電平，則表明得到了有效起始位。把大于7／16的位周期空間當(dāng)做有效起始位，也就是設(shè)置波特率的16倍作為UART采樣時(shí)鐘頻率。等于或小于7／16的位周期空間會(huì)被省略，UART接收器會(huì)持續(xù)等待直到出現(xiàn)一個(gè)有效起始位。如果發(fā)現(xiàn)有效起始位，UART接收器會(huì)把采樣信號(hào)URXD當(dāng)做緊鄰起始位的數(shù)據(jù)位。

為了保證系統(tǒng)的優(yōu)先初始化任務(wù)，uTenux系統(tǒng)通過(guò)芯片ATSAM3X4E的UART接口輸出移植過(guò)程調(diào)試信息時(shí)，需要關(guān)閉硬件中斷和UART的FIFO模式。配置UART的帶寬為115kbps，數(shù)據(jù)規(guī)格為8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。移植過(guò)程中通信速度設(shè)置為115 200bps，不使用FIFO模式，關(guān)閉中斷。數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。UART基址為0x400E0600，偏移地址與相關(guān)寄存器見(jiàn)表3。

表3 ATSAM3X4E主要UART寄存器

試驗(yàn)在ATSAM3X4E上移植uTenux時(shí)，對(duì)UART的主要配置如下：

4 驗(yàn)證移植結(jié)果

與人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫耐ㄓ貌僮飨到y(tǒng)不同，ATSAM3X4E芯片更多地應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)控制、汽車電子控制等對(duì)環(huán)境要求比較苛刻的領(lǐng)域。能夠連續(xù)無(wú)故障地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和通信工作［6］，是驗(yàn)證uTenux系統(tǒng)在ATSAM3X4E芯片上可靠運(yùn)行的主要方式。

uTenux消息緩沖區(qū)通信機(jī)制的測(cè)試用例，可創(chuàng)建2個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在uTenux系統(tǒng)調(diào)度下交替運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)均可向消息緩沖區(qū)發(fā)送和接收消息，在連續(xù)運(yùn)行48h后觀察任務(wù)調(diào)度和消息通信的狀態(tài)，來(lái)評(píng)價(jià)此次系統(tǒng)移植的可靠性［7］。

創(chuàng)建消息緩沖區(qū)的函數(shù)ER MessbufSampleSample（void），此方法啟動(dòng)驗(yàn)證程序創(chuàng)建2個(gè)消息緩沖區(qū)，消息緩沖區(qū)的ID分別是MbfID＿1和MbfID＿2，同時(shí)創(chuàng)建2個(gè)任務(wù)，其中任務(wù)A的優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)B。

任務(wù)A的函數(shù)void MessbufSampleTaskA（W stacd，VP exinf），該函數(shù)啟動(dòng)任務(wù)B后，由于任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)低于任務(wù)A，所以直到任務(wù)A進(jìn)入等待狀態(tài)，任務(wù)B才開始運(yùn)行。在任務(wù)循環(huán)中首先等待控制臺(tái)輸入字符，如果是＇e＇，退出任務(wù)循環(huán)，否則繼續(xù)執(zhí)行。任務(wù)循環(huán)中向第1個(gè)消息緩沖區(qū)發(fā)送1條消息，從第2個(gè)消息緩沖區(qū)接收1條消息，由于第2個(gè)消息緩沖區(qū)內(nèi)還沒(méi)有消息，此時(shí)任務(wù)A進(jìn)入第2個(gè)消息緩沖區(qū)的等待接收隊(duì)列。任務(wù)循環(huán)退出后，終止和刪除任務(wù)B，刪除消息緩沖區(qū)1和2，退出和刪除任務(wù)A自己。

任務(wù)B的函數(shù)void MessbufSampleSample－TaskB（W stacd，VP exinf），任務(wù)B反復(fù)從消息緩沖區(qū)MbfID＿1提取一條消息，向消息緩沖區(qū)MbfID＿2發(fā)送一條消息。當(dāng)消息緩沖區(qū)MbfID＿2中存在消息時(shí)，被阻塞的任務(wù)A將被調(diào)度運(yùn)行。

任務(wù)A和任務(wù)B交互通信的運(yùn)行狀態(tài)如圖1所示。

圖1 消息緩沖區(qū)通信圖示

以下是驗(yàn)證uTenux系統(tǒng)在ATSAM3X4E芯片上正常運(yùn)行的算法，任務(wù)A的函數(shù)MbfSample－TaskA（W stacd，VP exinf）的主要算法，

運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

上圖為串口通信終端輸出的調(diào)試信息，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)連續(xù)48h的不間斷運(yùn)行，觀察發(fā)現(xiàn)輸出的調(diào)試信息始終一致，無(wú)丟失及卡頓現(xiàn)象，表明了uTenux系統(tǒng)在ATSAM3X4E芯片上進(jìn)行任務(wù)調(diào)度切換和消息通信正常，運(yùn)行狀態(tài)良好，基本達(dá)到uTenux系統(tǒng)移植的要求。

圖2 消息緩沖區(qū)通信輸出

5 結(jié)語(yǔ)

在Atmel的工業(yè)級(jí)芯片ATSAM3X4E上移植uTenux實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要對(duì)硬件平臺(tái)（微控制器芯片）和軟件平臺(tái)（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）都有一定的了解和把握。移植過(guò)程需要掌握芯片的構(gòu)造特點(diǎn)，包括芯片的存儲(chǔ)映射關(guān)系、Flash存儲(chǔ)體的初始化、時(shí)鐘單元的配置和UART收發(fā)單元的配置等［8］，才能保證uTenux系統(tǒng)的底層代碼能夠良好地驅(qū)動(dòng)硬件工作。應(yīng)當(dāng)看到，本文所試驗(yàn)的在經(jīng)過(guò)48h不間斷的系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證uTenux系統(tǒng)在ATSAM3X4E芯片上的正常運(yùn)行，也僅僅是個(gè)相對(duì)結(jié)論。如果應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，還需要從加倍延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，以及逐一測(cè)試uTenux所有內(nèi)核資源對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)等兩方面來(lái)提高uTenux系統(tǒng)在芯片ATSAM3X4E上移植成功的穩(wěn)定性。

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