SDCC編譯器和FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點及應(yīng)用研究

引言

MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用廣泛，在我國學(xué)習(xí)研究的人較多。使用C語言在單片機(jī)上開發(fā)程序可提高開發(fā)效率，目前針對該內(nèi)核兼容單片機(jī)開發(fā)的C語言編譯器有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)購買。使用專為單片機(jī)開發(fā)的免費(fèi)C語言編譯器SDCC（Small Device C Compiler）則是一個不錯的選擇。

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實時操作系統(tǒng)，在C8051F340上移植了FreeRTOS并使用SDCC編譯開發(fā)了門禁系統(tǒng)。事實證明，使用免費(fèi)的資源完全可以滿足某些系統(tǒng)的開發(fā)需求。

1 SDCC編譯器和FreeRTOS簡介

SDCC是Sandeep Dutta為8位微控制器設(shè)計的一個開放源代碼、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)開發(fā)的一個開放源代碼、免費(fèi)的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。其內(nèi)核大部分使用C語言編程，具有高度的可移植性，目前已經(jīng)被移植到的處理器平臺超過19種。FreeRTOS操作系統(tǒng)商業(yè)應(yīng)用免費(fèi)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點，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、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理等功能，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。

2 FreeRTOS在C8051 F340中的移植和調(diào)試

FreeRTOS設(shè)計時就考慮了在各種平臺上的可移植性，內(nèi)核大部分代碼使用C語言編寫，少數(shù)代碼使用相應(yīng)平臺的匯編語言編寫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對目標(biāo)平臺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，二者的硬件平臺比較接近，因此移植工作量不大。針對C8051F120和C8051F340單片機(jī)硬件平臺的差別，將在C8051F120單片機(jī)上運(yùn)行的FreeRTOS移植到C8051F340平臺上所做的工作包括：替換C8051F120CPU的頭文件，調(diào)整RAM范圍大小，修改外部晶振頻率，修改時鐘滴答數(shù)等。

修改的文件有FreeRTOS＼Demo＼

FreeRTOS的C8051F120平臺移植代碼中使用定時器2來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的定時中斷。C8051F340和C8051F120的定時器 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公司提供了一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可方便地使用該IDE開發(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，使用時只需安裝對應(yīng)的軟件，然后設(shè)置編譯器的安裝路徑和編譯選項即可，如圖1所示。本文只對涉及SDCC的選項進(jìn)行說明。

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。安裝完后，在C8051F340平臺上編譯FreeRTOS的SDCC選項，如表2所列。

3 在門禁系統(tǒng)中使用FreeRTOS

FreeRTOS移植完成后，成功地在開發(fā)的門禁系統(tǒng)中得到了應(yīng)用驗證。該門禁系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有：實現(xiàn)刷ID卡開門，利用鍵盤輸入住戶號和密碼開門，住戶數(shù)據(jù)使用GPRS服務(wù)通信實現(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／顯示模塊和存儲器模塊等組成，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)的前后臺程序設(shè)計思路，則程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期長，測試?yán)щy。使用實時操作系統(tǒng)，可將系統(tǒng)按功能和設(shè)備依賴性的原則劃分為不同的任務(wù)，各個任務(wù)可以看作是并行執(zhí)行，任務(wù)之間使用實時操作系統(tǒng)提供的API實現(xiàn)存儲器互斥訪問和其他資源的同步等，可以較好地滿足該系統(tǒng)的需求。

根據(jù)系統(tǒng)的功能，建立3個任務(wù)：ID卡讀卡處理任務(wù)、鍵盤／顯示任務(wù)和GPRS數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)。各個任務(wù)的功能如下：

①ID卡讀卡處理任務(wù)vIdTask。ID卡讀卡任務(wù)主要完成ID卡卡號的讀取和識別等功能，優(yōu)先級最高。

②鍵盤／顯示任務(wù)vKeyDispTask。鍵盤／顯示模塊主要完成人機(jī)交互和日期的顯示，錯誤信息的提示等，優(yōu)先級次之。

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)收到對應(yīng)的信息時，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。建立的三個任務(wù)都有可能同時讀寫存儲器，因此建立一個互斥信號量，當(dāng)需要操作存儲器時，先得到這個信號量，存儲器操作完畢后再釋放這個信號量。ID卡讀卡處理任務(wù)的代碼中互斥信號量的使用如下：

系統(tǒng)主函數(shù)主要完成硬件初始化，建立信號量、任務(wù)和各個任務(wù)的啟動等。部分代碼實現(xiàn)如下：

4 結(jié)論

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

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