SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究

作者:电工吧 日期:2020-09-06 08:35:59 人气: 栏目:市场动态

引言

MCS-51系列单片机应用广泛,在我国学习研究的人较多。使用C语言在单片机上开发程序可提高开发效率,目前针对该内核兼容单片机开发的C语言编译器有Keil、Tasking、Raisonance、IAR和Hi-Tech等,但这些都是商业化的产品,使用需要付费购买。使用专为单片机开发的免费C语言编译器SDCC(Small Device C Compiler)则是一个不错的选择。

由于技术和工艺的发展,各种MCS~51系列内核兼容的新型单片机不断推出,除了运行速度提高,内部资源也逐渐丰富。例如,Silicon Labs公司推出的C8051F系列单片机,兼容8051内核,功能强大,运算速度快,处理能力强,为复杂软件的运行提供了可能。

本文介绍了SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统,在C8051F340上移植了FreeRTOS并使用SDCC编译开发了门禁系统。事实证明,使用免费的资源完全可以满足某些系统的开发需求。

1 SDCC编译器和FreeRTOS简介

SDCC是Sandeep Dutta为8位微控制器设计的一个开放源代码、可编译产生不同CPU的目标代码、优化的ANSI-C编译器。当前版本的目标CPU是Intel公司的 MCS-51兼容系列微处理器芯片、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编译器的代码遵循GPL协议发布,可以免费使用。

FreeRTOS是为小型嵌入式系统开发的一个开放源代码、免费的实时操作系统内核。其内核大部分使用C语言编程,具有高度的可移植性,目前已经被移植到的处理器平台超过19种。FreeRTOS操作系统商业应用免费,具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点,可以方便地移植到各种单片机上运行。FreeRTOS提供的功能包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等功能,可基本满足较小系统的需要。

2 FreeRTOS在C8051 F340中的移植和调试

FreeRTOS设计时就考虑了在各种平台上的可移植性,内核大部分代码使用C语言编写,少数代码使用相应平台的汇编语言编写并且这部分被压缩到最小。 FreeR-TOS已经被移植到各种微控制器上,在8051平台上也有相应的移植代码。从FreeRTOS网站下载得到的程序中,包含了一个在 C8051F120单片机上的移植版本。C8051F120和C8051F340单片机在硬件资源上的主要差别,如表1所列。

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图1)

FreeRTOS对目标平台硬件资源的要求不高,最后编译的目标代码量由所选配置选项决定。一般需要2 KBRAM和10 KB左右的ROM即可运行。由表1可以看出,二者的硬件平台比较接近,因此移植工作量不大。针对C8051F120和C8051F340单片机硬件平台的差别,将在C8051F120单片机上运行的FreeRTOS移植到C8051F340平台上所做的工作包括:替换C8051F120CPU的头文件,调整RAM范围大小,修改外部晶振频率,修改时钟滴答数等。

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图2)

修改的文件有FreeRTOS\Demo\

FreeRTOS的C8051F120平台移植代码中使用定时器2来产生系统所需的定时中断。C8051F340和C8051F120的定时器 2寄存器配置略有不同,port.c中的static void prvSetupTimerInterrupt(void)函数修改后内容如下:

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图3)

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图4)

Silicon Labs公司提供了一个集成开发环境(IDE),可方便地使用该IDE开发C8051F系列单片机程序。该IDE支持多种第三方编译工具,如Keil、 Raisonance、Tas-king、Hi-Tech、SDCC和IAR等,使用时只需安装对应的软件,然后设置编译器的安装路径和编译选项即可,如图1所示。本文只对涉及SDCC的选项进行说明。

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图5)

SDCC可从http://sdcc.sourceforge.net下载得到。本文使用的版本为sdcc-win32 2.8.0,具体安装方法和步骤参考sdccman.pdf手册。安装完后,在C8051F340平台上编译FreeRTOS的SDCC选项,如表2所列。

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图6)

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图7)

3 在门禁系统中使用FreeRTOS

FreeRTOS移植完成后,成功地在开发的门禁系统中得到了应用验证。该门禁系统实现的功能主要有:实现刷ID卡开门,利用键盘输入住户号和密码开门,住户数据使用GPRS服务通信实现数据远程管理等。

硬件系统主要由C8051F340单片机、ID卡读卡模块、GPRS模块、键盘/显示模块和存储器模块等组成,系统结构如图3所示。

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图8)

系统软件上如果使用传统的前后台程序设计思路,则程序结构复杂,设计周期长,测试困难。使用实时操作系统,可将系统按功能和设备依赖性的原则划分为不同的任务,各个任务可以看作是并行执行,任务之间使用实时操作系统提供的API实现存储器互斥访问和其他资源的同步等,可以较好地满足该系统的需求。

根据系统的功能,建立3个任务:ID卡读卡处理任务、键盘/显示任务和GPRS数据通信处理任务。各个任务的功能如下:

①ID卡读卡处理任务vIdTask。ID卡读卡任务主要完成ID卡卡号的读取和识别等功能,优先级最高。

②键盘/显示任务vKeyDispTask。键盘/显示模块主要完成人机交互和日期的显示,错误信息的提示等,优先级次之。

③GPRS数据通信处理任务vG-PRSTask。GPRS数据通信任务主要完成与管理端GPRS模块的通信连接和GPRS协议数据的处理等,优先级最低。

另外,GPRS模块使用串行通信口与C8051F340通信,串口的接收程序采用中断服务程序,不受操作系统的管理。当收到对应的信息时,向 GPRS数据通信处理任务发送消息,GPRS数据通信处理任务再进行处理。建立的三个任务都有可能同时读写存储器,因此建立一个互斥信号量,当需要操作存储器时,先得到这个信号量,存储器操作完毕后再释放这个信号量。ID卡读卡处理任务的代码中互斥信号量的使用如下:

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图9)

系统主函数主要完成硬件初始化,建立信号量、任务和各个任务的启动等。部分代码实现如下:

SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统的优缺点及应用研究(图10)

4 结论

使用SDCC编译器和 FreeRTOS操作系统等免费资源开发系统程序,能够减少工作量,降低开发成本,具有很大的优势。SDCC编译器应用灵活,配置方便,FreeRTOS 经过修改裁减后,代码精简,结构紧凑,适合于小型嵌入式系统应用。作者在门禁系统中应用得到成功的验证;但是SDCC和 FreeRTOS仍有许多缺点,如SDCC没有IDE,编译配置选项复杂,FreeRTOS提供的服务功能有限等。

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