基于μC/OS-Ⅱ的1553B和ARINC429總線實時協(xié)議轉換系統(tǒng)的設計

　　控制器模塊的結構原理圖如圖3所示。整個控制器模塊主要由控制器、422總線通信電路、1553B協(xié)議轉換電路、隔離變壓器電路、FPGA控制邏輯及ARINC429電平轉換電路等組成。

　　FPGA控制邏輯用Verilog HDL在QuartusII環(huán)境下編程實現(xiàn),主要完成以下功能:(1)產生對1553B協(xié)議芯片BU61580操作的所有控制信號;(2)產生對ARINC429接收模塊和ARINC429發(fā)送模塊操作的所有控制信號; (3)為1553B協(xié)議芯片BU61580、ARINC429接收模塊和ARINC429發(fā)送模塊產生各自的工作時鐘,其中分頻數(shù)N可通過軟件進行賦值,實現(xiàn)可編程時鐘模塊;(4)建立FIFO模塊,在數(shù)據傳輸中緩沖和存儲數(shù)據;(5)實現(xiàn)ARINC429信號接收和發(fā)送,包括同步處理、字頭檢驗、奇偶校驗、串并轉換和并串轉換等。

　　4 實時操作系統(tǒng)的移植、構建和優(yōu)化

　　將嵌入式實時內核μC/OS-II移植到DSP控制器TMS320LF2407上構建一個低成本的通用嵌入式實時軟件平臺,以進行系統(tǒng)軟件的開發(fā)。引入μC/OS-II實時內核的目的是要以很小的系統(tǒng)代價,大大降低DSP系統(tǒng)軟件開發(fā)的難度,同時使系統(tǒng)的實時性得到保證。

　　4.1 μC/OS-II移植的可行性分析

　　所謂移植,就是使一個實時內核能在某個處理器上運行[7]。因為C語言是跨平臺的,各種編譯器都支持,所以μC/OS-II和其他嵌入式操作系統(tǒng)一樣,和處理器無關的代碼主要用C語言寫。雖然μC/OS-II系統(tǒng)的大部分源代碼都是用C 語言實現(xiàn)的,但仍需要使用X86 匯編語言來完成一些與處理器、寄存器相關的代碼[8]。這是因為μC/OS-II在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)。

　　要順利移植μC/OS-II,處理器必須滿足以下要求:(1)處理器的C編譯器能產生重入代碼,利用C語言就可以打開和關閉中斷;(2)處理器支持中斷,并能產生定時中斷;(3)處理器支持足夠的RAM(可能是幾千字節(jié))作為數(shù)據存儲的硬件堆棧; (4)處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。

　　顯然,采用的控制器TMS320LF2407及編譯器CCS均可滿足要求,因此完全可以在TMS320LF2407上移植嵌入式實時內核μC/OS-II。

　　4.2 μC/OS-II的代碼結構和移植步驟

　　μC/OS-II的代碼結構以及它與硬件的關系如圖4所示,其全部代碼可以分為三個部分[9]:

　　(1)與處理器無關的代碼。包括SOFTWAREμC/OS-IISOURCE目錄下的文件,主要提供μC/OS-II的系統(tǒng)服務、任務管理、任務間通信與內存管理等。這部分代碼可完全移植到處理器上。

　　(2)與應用相關的代碼。包括OS_CFG.H和INCLUDES.H頭文件。OS_CFG.H文件包含μC/OS-II的初始化配置項,由一系列#define constant語句構成。INCLUDES.H是一個頭文件,在所有.C文件的第一行被包含。用戶可以通過編輯INCLUDES.H來增加自己的頭文件,但是用戶的頭文件必須添加在頭文件列表的最后。

　　(3) 與處理器相關的代碼。即OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM及OS_CPU_C.C,絕大部分的移植工作都集中在這里。

　　移植μC/OS-II的具體步驟是:(1)在OS_CPU.H中設置一個常量來標識堆棧增長方向;(2)在OS_CPU.H中聲明幾個用于開關中斷和任務切換的宏;(3)在OS_CPU.H中針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據類型;(4)在OS_CPU_A.ASM中改寫4個匯編語言的函數(shù):OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR();(5)在OS_CPU_C.C中用C 語言重新編寫6個簡單的C函數(shù): OSTaskStk Init()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTimeTick Hook();(6)修改主頭文件INCLUDES.H,將上面的三個文件和其他的頭文件加入。

　　4.3 實時操作系統(tǒng)軟件平臺的優(yōu)化

　　移植后的實時操作系統(tǒng)可根據具體硬件和性能需求進行優(yōu)化,以獲得更高的執(zhí)行效率。

　　(1) 裁剪[9]

　　μC/OS-II具有源代碼開放的優(yōu)點,是一個可裁剪的操作系統(tǒng)。在實際應用時可根據需要對源代碼進行取舍,去掉不需要的服務以及不需要的變量和函數(shù),甚至可以根據需要改寫相關函數(shù)。代碼的削減可通過設置OS_CFG.H中的#define OS_×××_EN為0來實現(xiàn)。本系統(tǒng)中取消了不需要的郵箱服務、任務掛起等功能,使得代碼非常簡練,可靠性更好。此外,在μC/OS-II的源代碼中,函數(shù)執(zhí)行中有許多條件判斷,作用是防止參數(shù)的錯誤傳遞。作為通用系統(tǒng),這些條件判斷是完全必要的,避免出現(xiàn)錯誤時系統(tǒng)崩潰。但作為具體的應用,只要在程序設計時保證參數(shù)傳遞的正確性,完全可以不用條件判斷,所以在本系統(tǒng)程序設計時,取消了全部的條件判斷,從而提高了函數(shù)的執(zhí)行速度。

　　(2) 改進內存管理

　　μC/OS-II在內存管理上顯得過于簡單,其任務棧空間和內存分區(qū)的創(chuàng)建采用了定義全局數(shù)組的方法,即定義一維或二維的全局數(shù)組,在創(chuàng)建任務或內存分區(qū)時,將數(shù)組名作為內存地址指針傳遞給生成函數(shù)。這樣實現(xiàn)起來固然簡單,但是不夠靈活有效。

　　編譯器會將全局數(shù)組作為未初始化的全局變量,放到應用程序映像的數(shù)據段。數(shù)組大小是固定的,生成映像后不可能在使用中動態(tài)地改變。對于任務棧空間來說,數(shù)組定義大了會造成內存浪費,定義小了任務棧溢出會造成系統(tǒng)崩潰。對于內存分區(qū),在不知道系統(tǒng)初始化后給用戶留下了多少自由內存空間的情況下,很難定義內存分區(qū)所用數(shù)組的大小。可見,利用全局數(shù)組來分配內存空間是不合理的。另外,目前的μC/OS-II只支持固定大小的內存分區(qū),容易造成內存浪費。所以應該改進以支持可變大小的內存分區(qū)。

　　因此,在本系統(tǒng)中采用如下方法來對內存進行管理:①系統(tǒng)初始化時,正確安排代碼段和數(shù)據段的位置,從而確定用戶自由空間的起始地址;②用目標板(LF2407)內存最高端地址減去起始地址得到用戶自由空間的大小;③在自用空間中建立和使用內存分區(qū),分配好任務堆棧、事件控制塊和消息隊列等各自內存大小。

　　(3) 堆棧的使用和管理

　　在μC/OS-II中,各任務的堆棧在邏輯上是相互獨立的,這樣在分配每一個任務堆棧區(qū)的大小時,不但要考慮本任務中的局部變量和函數(shù)嵌套所需要的堆棧空間,還要考慮系統(tǒng)中所可能發(fā)生的最大層數(shù)的中斷嵌套所需的堆?？臻g,從而要占用較多的RAM空間,在系統(tǒng)中有多個任務同時存在時尤其嚴重。如果對此考慮不足,則可能會出現(xiàn)運行中的任務堆?？臻g不足、溢出的情形,從而導致系統(tǒng)崩潰。

　　針對上述問題,本系統(tǒng)采用以下方法使用和管理堆棧:各任務棧相互分離,且不考慮中斷使用;另外分配一個工作棧,可滿足所需堆?？臻g最大的任務在最大可能層數(shù)的中斷嵌套下使用。運行時,將當前任務的任務堆棧內容拷貝至工作棧中,在工作棧中運行;當發(fā)生任務切換時,先將工作棧中的有用內容保存到當前任務棧,然后將待運行任務的任務棧調入工作棧,在工作棧中運行。在此過程中,堆棧指針始終指在工作棧區(qū)域內。