μC/OS-II在DSP Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行的關(guān)鍵問題

引言

　　在作為國家863計(jì)劃子項(xiàng)目挖掘機(jī)智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)中，出現(xiàn)了智能化挖掘機(jī)軌跡控制系統(tǒng)不按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡運(yùn)行和嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ調(diào)度紊亂等失控問題。該智能化系統(tǒng)中采用了μC／OS-Ⅱ，通過位移傳感器實(shí)時(shí)采集挖掘機(jī)的鏟斗、斗桿和動(dòng)臂等3路角度信號(hào)，通過算法規(guī)劃路徑驅(qū)動(dòng)液壓比例閥實(shí)現(xiàn)平行推進(jìn)、鏟斗挖掘等典型作業(yè)。本文主要針對(duì)課題遇到的問題，重點(diǎn)闡述μC／OS-Ⅱ在芯片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵問題的分析與解決辦法。

　　1μC／OS-Ⅱ在Flash存儲(chǔ)器中的運(yùn)行

　　1.1 μC／OS-Ⅱ的特點(diǎn)與功能

　　μC／OS-Ⅱ是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用可剝奪型內(nèi)核。所有的任務(wù)都有優(yōu)先級(jí)，多任務(wù)之間優(yōu)先級(jí)高的可以中斷執(zhí)行中的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)而優(yōu)先執(zhí)行。   

　　它的特點(diǎn)主要有：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等。μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。

　　1.2關(guān)鍵問題    

　　在完成了智能控制軟件后，就是將之嵌入到μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)中。遇到的主要問題是移植好的μC／OS-Ⅱ源代碼在聞亭的目標(biāo)板上在線仿真時(shí)，把.out文件下載到RAM中能正常執(zhí)行，但是用CCS燒寫到Flash存儲(chǔ)器中就不能正常執(zhí)行，出現(xiàn)智能化挖掘機(jī)軌跡控制系統(tǒng)不按照預(yù)先設(shè)定好的軌跡運(yùn)行和μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)調(diào)度紊亂等失控問題，尤其是在課題的后期驗(yàn)收階段問題尤為棘手。

　　1.3原因分析

　　程序固化的關(guān)鍵問題是如何在程序存儲(chǔ)器中分配存儲(chǔ)空間給常量和用const關(guān)鍵字定義的靜態(tài)、全局變量。經(jīng)過仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)與TI的C編譯器功能有關(guān)。CCS的編譯器按照標(biāo)準(zhǔn)C，沒有對(duì)Flash ROM中常數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接訪問的功能。所以必須讓const段的常量數(shù)據(jù)在RAM中。

　　實(shí)現(xiàn)這一條件的方法有3種：

　　a)方法1：解決μC／OS-Ⅱ在Flash中運(yùn)行的方法，采用去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，并且需要在.cmd文件中將.cinit段分配到程序區(qū)Flash存儲(chǔ)空間，然后在編譯器的編譯選項(xiàng)中選中“-C”，即ROM初始化(C編譯器默認(rèn)就是這樣的)。

　　b)方法2：不對(duì)定義作修改，.const段保存在Flash存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)不向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器移動(dòng)，程序運(yùn)行時(shí)直接在程序存儲(chǔ)空間中訪問這些量。由于c語言缺乏訪問程序區(qū)數(shù)據(jù)的有效手段，因此這些語句只能使用匯編語言編寫。由于在每一處訪問這些常量時(shí)都必須使用這些語句，因此這樣編寫程序改動(dòng)量較大。

　　c)方法3：不需要修改常量定義，也不必編寫專門的程序，主要的工作是修改.cmd文件并對(duì)工程中使用的庫文件作簡單的修改，修改工作量小而且集中，極大地方便了程序的編寫。較之前兩種方法，這種方法運(yùn)用起來要方便得多。

　　2關(guān)鍵問題的解決與實(shí)現(xiàn)

　　以下分別介紹方法1和方法3的具體實(shí)現(xiàn)。

　　2.1方法1

　　解決μC／OS-Ⅱ在Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行的方法，即去除const關(guān)鍵字，在程序中賦初值使用，以μC／OS-Ⅱ的更改為例：

　　2.1.1問題的發(fā)現(xiàn)

　　μC／OS-Ⅱ的程序燒寫到Flash中的問題，剛開始懷疑是分配存儲(chǔ)器的cmd文件有問題，然后相關(guān)的又想到程序的大小問題，特別是在咨詢聞亭的技術(shù)人員告知大于1 kB的程序要分開燒后，甚至懷疑聞亭的仿真器和開發(fā)板。后來實(shí)驗(yàn)使用合眾達(dá)的板子是同樣的效果，并且發(fā)現(xiàn)不帶μC／OS的大小程序都能正常執(zhí)行，基本排除了程序大小的問題以及硬件問題。后來通過對(duì)μC／OS系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度前加LED函數(shù)，發(fā)現(xiàn)：直到多任務(wù)調(diào)度前都能正常執(zhí)行，開始多任務(wù)調(diào)度后就出了問題。到這里確定問題出在μC／OS-Ⅱ上，但是μC／OS-Ⅱ的移植是其他人員做的，其他本身沒有做過嚴(yán)格測(cè)試，也沒有燒到Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行過，對(duì)整個(gè)課題產(chǎn)生致命的影響。最后課題組分析了程序在Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行與在RAM中運(yùn)行的本質(zhì)區(qū)別，提出一個(gè)重要的建議：可能有系統(tǒng)需要的常量定義在擴(kuò)展RAM區(qū)了，當(dāng)?shù)綦姾?，RAM區(qū)的內(nèi)容沒有了，常量也就沒有了，影響了系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　通過查看工程的cmd文件和編譯輸出的map文件，發(fā)現(xiàn)確實(shí)有系統(tǒng)內(nèi)核的常量放在8000h以后的擴(kuò)展RAM區(qū)。見下面map文件引用：

　　然后在OS_CORE．C中找到了常量的位置，分別是掩碼表：INT8U const OSMapTbl[]和任務(wù)優(yōu)先級(jí)判定表：INT8U const OSUnMapTbl[]

　　通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燒寫程序到Flash存儲(chǔ)器中之后，如果不關(guān)電源，而直接拔掉USB，從Flash存儲(chǔ)器引導(dǎo)，復(fù)位后程序能正常執(zhí)行，但是關(guān)電后就不能了。經(jīng)查看，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器燒寫過程是先將程序裝載到RAM，再搬移到Flash存儲(chǔ)器中，所以不掉電所有程序都在RAM中有保留，但是程序確能從Flash存儲(chǔ)器引導(dǎo)。這樣，就確定了確實(shí)是這些常量放在RAM中引起的。但是并不像開始想象的那樣，把常量直接定義在Flash存儲(chǔ)器區(qū)就能解決，但可以通過程序賦值來初始化這些常量，而不通過編譯來初始化，這是一個(gè)不一定最好但很有效的辦法。

　　2.1.2修改方法

　　按照上面的思路，對(duì)μC／OS作了如下3處修改：

　　a)OS_CORE．C文件中上面兩個(gè)數(shù)組的上面的初始化定義改為下面兩個(gè)初始化函數(shù)：

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　　b)對(duì)μC／OS-Ⅱ.H函數(shù)進(jìn)行修改：將外部變量弓用的定義

　　c)在主程序的main()函數(shù)中的多任務(wù)調(diào)度函數(shù)執(zhí)行前調(diào)用前面的兩個(gè)初始化函數(shù)，如下：

　　此方法用一句話總結(jié)，就是將常量定義成變量，以賦值語句的方式初始化到RAM中。

　　2.2方法3：修改數(shù)據(jù)段的定位方式和庫函數(shù)

　　這種方式除了要修改.const段的裝載地址和運(yùn)行地址外，還要對(duì)CCS自帶的初始化函數(shù)進(jìn)行修改。但是這種方法是一勞永逸的。

　　對(duì).const段的修改如下：

　　即采用了裝載地址與運(yùn)行地址分離的方式，將.const載入ROM段，而運(yùn)行時(shí)在RAM區(qū)。為了使程序正常運(yùn)行，在初始化時(shí)，需要將.const段的內(nèi)容從裝載地址拷貝到運(yùn)行地址內(nèi)。這段程序可以在編譯時(shí)由編譯器自動(dòng)生成。這還需要對(duì)軟件所使用的庫文件作簡單的修改。該庫名稱即是rts.lib(表示不同類型的DSP，有2xx、25、50等)。修改該庫的方法是將源文件從庫中提取出來進(jìn)行修改，編譯后再替代原有的文件。具體操作如下：

　　a)將庫函數(shù)rts2xx.lib、源文件rts.src、兩個(gè)工具函數(shù)dspar.exe和dspa.exe找到，放在同意個(gè)目錄下，打開ms_dos命令窗。

　　b)執(zhí)行DOS命令：

　　這句的功能是從rts.src文件中提取出boot.asm文件。這個(gè)rts.src即是rts.lib的源文件。在boot.asm文件中能找到CONST_COPY這個(gè)標(biāo)志量，為了實(shí)現(xiàn)所需要的功能，它應(yīng)被賦值為1。對(duì)boot.asm文件的編輯完成之后，就可以將其編譯生成目標(biāo)文件，執(zhí)行語句：

　　其中對(duì)于不同的DSP需要使用不同的參數(shù)，對(duì)于240xA來說，應(yīng)該使用2xx來代替“”。語句執(zhí)行完后會(huì)生成boot．obj文件。再執(zhí)行語句：

　　這時(shí)它就替換了庫里的同名文件。在編譯時(shí)編譯器就會(huì)自動(dòng)增加拷貝.const段到數(shù)據(jù)空間的語句。這種方法不必修改程序，代價(jià)是犧牲了一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，時(shí)間開銷主要出現(xiàn)在初始化中。這應(yīng)該是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。

　　3結(jié)束語

　　對(duì)常量處理的3種方法中，第方法1和方法3相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)。其中方法1對(duì)于自己編寫的少量代碼修改起來比較方便，但是如果碰到庫函數(shù)中用到.const的情況，就需要像第方法3一樣提取庫函數(shù)中的代碼，來修改這個(gè)庫函數(shù)，在挖掘機(jī)軌跡控制程序中用到atan函數(shù)就是這種情況。這種做法對(duì)每個(gè)這樣的函數(shù)都要執(zhí)行同樣的操作，顯然不是最佳解決辦法。

　　方法3雖然必須修改cmd文件和庫文件，但是它是一勞永逸的。生成相應(yīng)的庫函數(shù)和cmd文件以后，對(duì)任何帶有const的代碼都不再需要做任何修改。所以這種方法也是TI推薦的方法，在TI的數(shù)據(jù)手冊(cè)TMS320C2x／C2xx／C5x Optimizing C Compiler User’sGuide(SPRU024E)中有對(duì)它的說明。

　　本課題已經(jīng)通過國家863計(jì)劃專家組的驗(yàn)收，該智能化挖掘機(jī)軌跡控制系統(tǒng)已經(jīng)交付柳工使用。