Nucleus Plus在嵌入式系統應用

    Nucleus Plus是美國源代碼操作系統商ATI公司推出的新一代嵌入式操作系統，屬于搶先式實時多任務操作系統內核， 95%的代碼使用ANSI C編寫，非常便于移植于各種處理器家族。從實現的角度講，不同于傳統嵌入式開發，Nucleus Plus是以函數庫的形式鏈接到目標應用程序中，形成可執行目標代碼，下載到目標板上或燒到ROM/FLASH ROM 中去執行。Nucleus Plus內核在典型的CISC體系結構上占據大約20k空間，而在典型的RISC體系結構上占據空間為40k左右，其內核數據結構占據1.5k字節的空間。Nucleus Plus以其實時響應、搶先、多任務以及源代碼開放特性獲得在通訊、國防、工業控制、航空/航天、鐵路、網絡、POS、自動化控制、智能家電等領域的廣泛應用。

Nucleus Plus內核技術

    ATI公司使用一種叫做軟件組件的方法。所謂軟件組件，就是具有明確目的或用途的由1個或數個C語言/匯編源文件的一段非獨立執行應用程序，且每個組件都提供一個定義好的外部接口，必須通過外部接口來使用組件。訪問組件內的全局數據結構是被禁止的。使用了組件方法， 軟件組件既易于更新也易于重用。Nucleus Plus軟件組件通常由定義數據類型、常量以及外部接口的INCLUDE 頭文件和一個或多個C語言/匯編源文件組成。Nucleus Plus 提供如下組件：任務控制管理、內存管理、 定時器管理、中斷、系統診斷、I/O驅動管理等共16個組件如下，

Nucleus Plus Kernel：    Common Service Component（CS）

　　　　　　　　　Initialization Component（IN）

　　　　　　　　　Tread Control Component（TC）

　　　　　　　　　Timer Component（TI）

　　　　　　　　　Mailbox Component（MB）

　　　　　　　　　Pipe Component（PI）

　　　　　　　　　Semaphore Component（SM）

　　　　　　　　　Event Flag Component（EV）

　　　　　　　　　Partition Component（PM）

　　　　　　　　　Queue Component（QM）

　　　　　　　　　Dynamic Memory Component（DM）

　　　　　　　　　I/O Component（I/O）

　　　　　　　　　History Component（HI）

　　　　　　　　　Error Component（ER）

　　　　　　　　　License Component （LI）

　　　　　　　　　Release Component（RL）

 其中：

　　* IN：負責初始化Nucleus Plus 系統

　　* TC：負責管理Nucleus Plus的搶占式實時 任務和HISR的運行

　　* CS：負責提供具有鏈接列表其它的設備Nucleus Plus 組件

　　* TM：負責管理所有的Nucleus Plus 定時器設備。Nucleus Plus 的基本定時單元為一個Tick，它相當于一次硬件定時器中斷

　　* MB：負責管理所有的Nucleus Plus 信箱設備

　　* QM：負責管理所有的Nucleus Plus 隊列設備

　　* PI ：負責管理所有的Nucleus Plus 管道設備

　　* SM：負責管理所有的Nucleus Plus 信號量設備

　　* EV：負責管理所有的Nucleus Plus 事件組設備

　　* PM：負責管理所有的Nucleus Plus 分區內存

　　* DM：負責管理所有的Nucleus Plus 動態內存

　　* I/O：負責管理所有的Nucleus Plus 輸入/輸出

　　* HI：負責Nucleus Plus的歷史設備管理

　　* ER：負責管理所有的Nucleus Plus 系統錯誤

　　* LI：負責Nucleus Plus的許可證管理

　　* RL：負責Nucleus Plus 的版本管理

Nucleus Plus 其它功能模塊

    Nucleus Plus 除了其功能強大的內核外，還提供了面向INTERNET、TCP/IP、WEB瀏覽器、圖形以及文件系統的軟件包，參閱圖1。

 圖1: Nucleus Plus功能模塊圖

Nucleus Plus 開發

1， Nucleus Plus 定制

    Nucleus Plus 也能根據目標板的需要進行裁剪和定制，生成適合目標系統的操作系統，盡量少占系統內存。OS定制完成后，將其鏈接到目標應用程序，成為目標應用程序的一部分。在典型的CISC體系結構的目標板上，它占用約20K 左右的空間，而在RISC體系結構的目標板上占用約40K左右的空間。一般地，Nucleus Plus 足以滿足絕大多數的嵌入式應用。ATI公司提供了一個名為BUILD_LI．BAT或PLUS．BAT的批處理文件，用戶可以刪剪其中的模塊，更改相關的選項或開關，執行該文件生成與目標相關的操作系統，也就是根據系統需要生成定制的操作系統。需要注意的是，該批處理文件的內容與開發工具有關。

 2，開發方案

    Nucleus Plus可以結合Paradigm、SDS以及ATI的多任務調試器組成功能強大的集成開發環境，配合相應的編譯器（Borland c/c++ 編譯器、Turbo c/c++ 編譯器或者Microsoft c/c++編譯器）和動態鏈接庫以及各類底層驅動軟件就可以滿足嵌入式應用的開發。

3，開發流程

用Nucleus Plus 開發嵌入式應用程序，一般遵循如下步驟：

　　* 如果有必要，應對低級系統初始化文件．INT進行修改，使之符合目標板的需要。如中斷向量、I/O地址、時鐘頻率等。

　　* 定義Application _Initialize（）函數。該函數在啟動系統之前先執行。注意的是要把NUCLEUS．H頭文件包括在目標應用程序中，以便利用Nucleus Plus 的服務。

　　* 定義應用程序的任務。如果調用Nucleus Plus 的服務，要把NUCLEUS．H包含進去。

　　* 編譯/匯編所有的應用程序軟件，并且包含系統低級初始化文件．INT。

　　* 鏈接．INT和所有的應用程序目標文件、Nucleus Plus庫文件以及相關的開發工具庫。

　　* 把生成的最終目標代碼下載或燒到目標板上執行。

4， Nucleus Plus 初始化

    Nucleus Plus 分三個層次的初始化，即：系統低級初始化Int-Initialize（）、系統高級初始化Inc-Initialize（）和應用程序初始化Application_Initialize（），初始化之后便進入Nucleus Plus 的任務調度循環。各個初始化函數任務見表1。

Int_Initialize（）

Inc_Initialize（）

Application_Initialize（）

　　* 設置必要的處理器/系統控制寄存器

　　* 初始化中斷向量表

　　* 設置系統堆棧寄存器

　　* 計算定時器HISR堆棧和優先級

　　* 計算系統第一個可用內存

　　* 將控制交給系統高級初始化例程

　　* 初始化Nucleus Plus 組件

　　* 將控制交給應用程序初始化例程

　　* 任務調度

　　* 執行用戶定義的初始化，如創建內存池，創建任務、創建信號量、創建隊列等

               表1：Nucleus Plus 初始化表

 5， Nucleus MNT

    Nucleus MNT是為軟件開發者設計的，在WIN95/NT下構筑Nucleus Plus嵌入式應用的原型（Prototyping）環境。它通過兩個庫來實現，即針對目標環境的庫和針對Win95/NT開發環境的庫。開發時，應用程序代碼可以不變，僅僅替換掉MNT庫，使用交叉開發工具包重構目標環境下的可執行目標代碼，請看圖2。

     PROTOTYPING　　　　　　　　　  TARGET

                    圖2：Nucleus MNT

 6， 開發注意事項

    嵌入式開發在內存需求、任務管理等方面存在著特殊性，因此，開發中對以下方面要額外加以注意，

　　* 任務饑荒

任務優先級的分配要合理，否則會導致系統中的一些任務一直不斷地在運行而另一些任務永遠得不到運行，引起饑荒。

　　* 死鎖

系統資源的分配要合理，否則會引起兩個或多個任務為競爭某一系統資源而處于無限掛起現象。

　　* 內存

　　* 內存泄露

內存分配過程中要盡量避免碎片并且要注意及時回收。

　　* 內存節約

　　* 默認情況下，Nucleus Plus， 在高級初始化函數Inc_Initialize（）中。調用其它函數初始化它所提供的所有特征的數據結構中，有些特征用戶目標應用程序可能用不到，為此，要去掉不必要的函數調用。

　　* 改變Nucleus．H中NU_MAX_LISRS的大小，它定義的是目標處理器的最大中斷向量數。

　　* 改變TC_DEFS．H中TC_PRIORITIES的大小。它定義了任務的優先級數。Nucleus Plus 能支持256個優先級。

　　* HISR棧共享。

　　* TCD．C中禁止查詢表TCD_LOWEST_SET_BIT的RAM拷貝。

　　* 使用一個更小的INT選項。

結束語

    由于Nucleus Plus 的模塊化、可靠、重用、開放、易用以及安全等特性使得它成為嵌入式應用開發的理想平臺，尤其是關系到國計民生的領域，如航空/航天、軍隊、國防等方面。