SDCC編譯器和FreeRTOS 在C805 1 F上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

引 言
    MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用廣泛，在我國(guó)學(xué)習(xí)研究的人較多。使用C語(yǔ)言在單片機(jī)上開(kāi)發(fā)程序可提高開(kāi)發(fā)效率，目前針對(duì)該內(nèi)核兼容單片機(jī)開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言編譯器有Keil、Tasking、Raisonance、IAR和Hi-Tech等，但這些都是商業(yè)化的產(chǎn)品，使用需要付費(fèi)購(gòu)買(mǎi)。使用專(zhuān)為單片機(jī)開(kāi)發(fā)的免費(fèi)C語(yǔ)言編譯器SDCC(Small Device C Compiler)則是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
    由于技術(shù)和工藝的發(fā)展，各種MCS～51系列內(nèi)核兼容的新型單片機(jī)不斷推出，除了運(yùn)行速度提高，內(nèi)部資源也逐漸豐富。例如，Silicon Labs公司推出的C8051F系列單片機(jī)，兼容8051內(nèi)核，功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)，為復(fù)雜軟件的運(yùn)行提供了可能。
    本文介紹了SDCC編譯器和FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在C8051F340上移植了FreeRTOS并使用SDCC編譯開(kāi)發(fā)了門(mén)禁系統(tǒng)。事實(shí)證明，使用免費(fèi)的資源完全可以滿(mǎn)足某些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。

1 SDCC編譯器和FreeRTOS簡(jiǎn)介
    SDCC是Sandeep Dutta為8位微控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)開(kāi)放源代碼、可編譯產(chǎn)生不同CPU的目標(biāo)代碼、優(yōu)化的ANSI-C編譯器。當(dāng)前版本的目標(biāo)CPU是Intel公司的 MCS-51兼容系列微處理器芯片、Dallas公司的DS80C390系列、Freescale公司的HC08系列、Microchip公司的PIC系列和Atmel公司的AVR系列等。SDCC編譯器的代碼遵循GPL協(xié)議發(fā)布，可以免費(fèi)使用。
    FreeRTOS是為小型嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放源代碼、免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其內(nèi)核大部分使用C語(yǔ)言編程，具有高度的可移植性，目前已經(jīng)被移植到的處理器平臺(tái)超過(guò)19種。FreeRTOS操作系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用免費(fèi)，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行。FreeRTOS提供的功能包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等功能，可基本滿(mǎn)足較小系統(tǒng)的需要。

2 FreeRTOS在C8051 F340中的移植和調(diào)試
    FreeRTOS設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了在各種平臺(tái)上的可移植性，內(nèi)核大部分代碼使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，少數(shù)代碼使用相應(yīng)平臺(tái)的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)并且這部分被壓縮到最小。 FreeR-TOS已經(jīng)被移植到各種微控制器上，在8051平臺(tái)上也有相應(yīng)的移植代碼。從FreeRTOS網(wǎng)站下載得到的程序中，包含了一個(gè)在 C8051F120單片機(jī)上的移植版本。C8051F120和C8051F340單片機(jī)在硬件資源上的主要差別，如表1所列。

    FreeRTOS對(duì)目標(biāo)平臺(tái)硬件資源的要求不高，最后編譯的目標(biāo)代碼量由所選配置選項(xiàng)決定。一般需要2 KBRAM和10 KB左右的ROM即可運(yùn)行。由表1可以看出，二者的硬件平臺(tái)比較接近，因此移植工作量不大。針對(duì)C8051F120和C8051F340單片機(jī)硬件平臺(tái)的差別，將在C8051F120單片機(jī)上運(yùn)行的FreeRTOS移植到C8051F340平臺(tái)上所做的工作包括：替換C8051F120CPU的頭文件，調(diào)整RAM范圍大小，修改外部晶振頻率，修改時(shí)鐘滴答數(shù)等。

修改的文件有FreeRTOS＼Demo＼
    FreeRTOS的C8051F120平臺(tái)移植代碼中使用定時(shí)器2來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的定時(shí)中斷。C8051F340和C8051F120的定時(shí)器2寄存器配置略有不同，port．c中的static void prvSetupTimerInterrupt(void)函數(shù)修改后內(nèi)容如下：

    Silicon Labs公司提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可方便地使用該IDE開(kāi)發(fā)C8051F系列單片機(jī)程序。該IDE支持多種第三方編譯工具，如Keil、 Raisonance、Tas-king、Hi-Tech、SDCC和IAR等，使用時(shí)只需安裝對(duì)應(yīng)的軟件，然后設(shè)置編譯器的安裝路徑和編譯選項(xiàng)即可，如圖1所示。本文只對(duì)涉及SDCC的選項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。

    SDCC可從http：／／sdcc．sourceforge．net下載得到。本文使用的版本為sdcc-win32 2．8．0，具體安裝方法和步驟參考sdccman．pdf手冊(cè)。安裝完后，在C8051F340平臺(tái)上編譯FreeRTOS的SDCC選項(xiàng)，如表2所列。

3 在門(mén)禁系統(tǒng)中使用FreeRTOS
    FreeRTOS移植完成后，成功地在開(kāi)發(fā)的門(mén)禁系統(tǒng)中得到了應(yīng)用驗(yàn)證。該門(mén)禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：實(shí)現(xiàn)刷ID卡開(kāi)門(mén)，利用鍵盤(pán)輸入住戶(hù)號(hào)和密碼開(kāi)門(mén)，住戶(hù)數(shù)據(jù)使用GPRS服務(wù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理等。
    硬件系統(tǒng)主要由C8051F340單片機(jī)、ID卡讀卡模塊、GPRS模塊、鍵盤(pán)／顯示模塊和存儲(chǔ)器模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    系統(tǒng)軟件上如果使用傳統(tǒng)的前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)思路，則程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，測(cè)試?yán)щy。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可將系統(tǒng)按功能和設(shè)備依賴(lài)性的原則劃分為不同的任務(wù)，各個(gè)任務(wù)可以看作是并行執(zhí)行，任務(wù)之間使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的API實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器互斥訪問(wèn)和其他資源的同步等，可以較好地滿(mǎn)足該系統(tǒng)的需求。
    根據(jù)系統(tǒng)的功能，建立3個(gè)任務(wù)：ID卡讀卡處理任務(wù)、鍵盤(pán)／顯示任務(wù)和GPRS數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)。各個(gè)任務(wù)的功能如下：
    ①I(mǎi)D卡讀卡處理任務(wù)vIdTask。ID卡讀卡任務(wù)主要完成ID卡卡號(hào)的讀取和識(shí)別等功能，優(yōu)先級(jí)最高。
    ②鍵盤(pán)／顯示任務(wù)vKeyDispTask。鍵盤(pán)／顯示模塊主要完成人機(jī)交互和日期的顯示，錯(cuò)誤信息的提示等，優(yōu)先級(jí)次之。
    ③GPRS數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)vG-PRSTask。GPRS數(shù)據(jù)通信任務(wù)主要完成與管理端GPRS模塊的通信連接和GPRS協(xié)議數(shù)據(jù)的處理等，優(yōu)先級(jí)最低。
    另外，GPRS模塊使用串行通信口與C8051F340通信，串口的接收程序采用中斷服務(wù)程序，不受操作系統(tǒng)的管理。當(dāng)收到對(duì)應(yīng)的信息時(shí)，向GPRS數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)發(fā)送消息，GPRS數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)再進(jìn)行處理。建立的三個(gè)任務(wù)都有可能同時(shí)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，因此建立一個(gè)互斥信號(hào)量，當(dāng)需要操作存儲(chǔ)器時(shí)，先得到這個(gè)信號(hào)量，存儲(chǔ)器操作完畢后再釋放這個(gè)信號(hào)量。ID卡讀卡處理任務(wù)的代碼中互斥信號(hào)量的使用如下：

    系統(tǒng)主函數(shù)主要完成硬件初始化，建立信號(hào)量、任務(wù)和各個(gè)任務(wù)的啟動(dòng)等。部分代碼實(shí)現(xiàn)如下：

4 結(jié) 論
    使用SDCC編譯器和FreeRTOS操作系統(tǒng)等免費(fèi)資源開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序，能夠減少工作量，降低開(kāi)發(fā)成本，具有很大的優(yōu)勢(shì)。SDCC編譯器應(yīng)用靈活，配置方便，F(xiàn)reeRTOS經(jīng)過(guò)修改裁減后，代碼精簡(jiǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于小型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。作者在門(mén)禁系統(tǒng)中應(yīng)用得到成功的驗(yàn)證；但是SDCC和 FreeRTOS仍有許多缺點(diǎn)，如SDCC沒(méi)有IDE，編譯配置選項(xiàng)復(fù)雜，F(xiàn)reeRTOS提供的服務(wù)功能有限等。