1、oneos系统
1.1 开发手册
OneOS是中国移动针对物联网领域推出的轻量级操作系统,具有可裁剪、跨平台、低功耗、高安全等特点,支持ARM Cortex-M、MIPS、RISC-V等主流芯片架构,兼容POSIX、CMSIS等标准接口,支持MicroPython语言开发,提供图形化开发工具,能够有效提升开发效率并降低开发成本,集成公共组件,适用于安全易用的物联网产品。
移动官网提供完善的oneos开发文档 https://os.iot.10086.cn/v2/doc/homePage
也可参考RT-Thread的资料,https://www.rt-thread.org/document/site/#/
1.2 开发工具
OneOS开发环境是基于命令行的OneOS-Cube,在对应工程目录下,执行menuconfig配置系统,scons编译构造。具体操作说明:https://os.iot.10086.cn/v2/doc/detailPage/documentHtml?idss=157071776529260544&proId=156799478777782272
1.3 软件框架
OneOS总体架构采用分层设计,主体由驱动、内核、组件、安全框架组成,采用一个轻量级内核加多个系统组件的模式。
与freeRTOS只包括内核相比,oneos支持通用组件或第三方库,尤其对接移动平台方便,遵循 Apache 2.0 license 开源协议,任意使用。
1.4 内核
Oneos内核提供任务管理调度、任务间同步与通信、定时器、内存管理等常用RTOS功能,与常规的RTOS如freeRTOS相比,仅有几点小区别:
1、任务,创建task后需要额外调用才启动,不同于freeRTOS创建所有的task后统一启动调度,全部task都开始执行。这种各task独立启动的,需要注意先后关系,不能task1启动后就向task2的队列发消息,此时队列可能为NULL且发送前没有判断,会导致重启。
2、消息队列,其动态创建和发送接口类似,但接收队列消息需要传入的参数不同,需要传入期望接收的字节大小。巧合的是项目使用的消息队列都是同一个结构体,如果不一致,需要特殊处理。
3、工作队列,将task进行了一定封装,不需要为处理某个事件而新建task,交给系统提前创建的task统一执行,执行结束后触发回调函数,这样多个长时间运行但不经常触发的,可以交给工作队列处理,该功能在UIS8910中系统自带。
4、邮箱,Oneos特有的,可理解为简化版的消息队列。
如果对freeRTOS不熟悉的,可以参考入门文章
1.5 组件
正如前面提到,如何使用oneos,移动官网有详细的说明,本文只是介绍oneos的基本开发流程,分析其部分功能的实现方式,后续以其设备框架、SHELL和单元测试三部分为主。
2、系统移植
2.1 开发流程
基于oneos的开发方式和以往不同,先将原始工程编译生成库,全部复制到oneos工程,再基于oneos系统开发业务逻辑,其开发环境和原始工程开发环境无关。Oneos工程编译生成的bin文件下载到设备,完整版本支持microPython,可以导入python文件直接运行。
可能部分功能比较特殊,使用原始库文件无法实现,例如获取系统某个参数。在原始工程开发,可以直接将客制化代码插入某个接口拦截,基于oneos开发时尽量避免,但是实在不行也只能这样。这样操作后,原始工程编译成功,但链接肯定失败,但不影响结果,只要输出lib库即可。
2.2 操作系统适配
如果没有原始SDK,要运行oneos,直接将原始库,例如STM32原厂HAL库复制到oneos/thirdparty即可;但是有基础SDK,且SDK是基于其它RTOS开发,则其库要在oneos运行,需要进行适配转换,存在两种方式。
以目前支持cat1网络比较火的两个芯片平台为例。紫光展锐UIS8910平台使用freeRTOS,且基本开源,因此可以将UIS8910工程中的freeRTOS系统接口,其函数内容替换使用oneos的接口实现。
翱捷ASR1603平台使用threadX,且已封库,因此是在oneos工程,将oneos的系统内核接口函数内容使用ASR1603提供的库实现。
<公众号:嵌入式系统>
前者UIS8910是oneos直接在底层替换了freeRTOS,相当于只运行了一套较为干净的oneos;后者完全是将两套RTOS的接口互相匹配,且中间并不是一对一替换。
2.3 风险与限制
原始工程开发函数是直接调用,引入oneos框架后,内核适配、驱动框架增加了代码量,运行效率也存在一定损失。对网络modem相关的操作,oneos使用AT通信,其阻塞方式对原有应用逻辑存在较大影响,不如原始API便捷。
3、系统组件
3.1 编译器关键字
重点介绍section关键字,后续章节都与其有关,section主要作用是将函数或者变量放在指定段中,可在指定的地方取函数执行。
- //main.c
- //sectiondemo
- #include"stdio.h"
- int__attribute__((section("my_fun")))test1(inta,intb)
- {
- return(a+b);
- }
- inttest(intb)
- {
- return2*b;
- }
- int__attribute__((section("my_fun")))test0(inta,intb)
- {
- return(a*b);
- }
- int__attribute__((section("my_val")))chengi;
- int__attribute__((section("my_val")))chengj;
- intmain(void)
- {
- intsum,c,j;
- chengi=1,chengj=2;
- sum=test1(chengi,chengj);
- c=test(100);
- j=test0(chengi,chengj);
- printf("sum=%d,c=%d,j=%d\r\n",sum,c,j);
- return0;
- }
编译生成map文件:
- gcc-omain.exemain.c-Wl,-Map,my_test.map
my_test.map 文件片段如下:
- .text0x004014600xa0C:\Users\think\ccmGLaeH.o0x00401460test0x0040146amain
- .text0x004015000x0c:/mingw/bin/../libmingw32.a(CRTglob.o)
- ......my_fun0x004040000x200[!provide]PROVIDE(___start_my_fun,.)
- my_fun0x004040000x1cC:\Users\think\ccmGLaeH.o
- 0x00404000test10x0040400dtest0
- [!provide]PROVIDE(___stop_my_fun,.)
- .data0x004050000x200
- 0x00405000_data_start_=.......*(.data_cygwin_nocopy)my_val0x004060000x200
- [!provide]PROVIDE(___start_my_val,.)
- my_val0x004060000x8C:\Users\think\ccdMcTrl.o0x00406000chengi0x00406004chengj
- [!provide]PROVIDE(___stop_my_val,.)
- .rdata0x004070000x400
分析可见,使用section修饰的函数和变量在自定义的片段,而且是连续存放,这样可根据变量的地址得出与其同段变量的地址,为后续自动初始化等功能提供了基础。
3.2 自动初始化
基于前面section的作用,可以将同类函数指针全部使用同一个段名修饰,然后开机后系统自动检索段内函数指针,逐个执行,对上层应用就是无需主动调用,系统自动初始化。考虑到硬件初始化与应用功能初始化的先后顺序,可以对段名进行分配,map文件按段名排序。自动初始化主体是OS_INIT_EXPORT宏。
- typedefos_err_t(*os_init_fn_t)(void);
- #defineOS_INIT_EXPORT(fn,level)\
- constos_init_fn_t__os_call_##fnOS_SECTION(".init_call."level)=fn
- #defineOS_BOARD_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"1")
- #defineOS_PREV_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"2")
- #defineOS_DEVICE_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"3")
- #defineOS_CMPOENT_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"4")
- #defineOS_ENV_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"5")
- #defineOS_APP_INIT(fn)OS_INIT_EXPORT(fn,"6")
例如shell初始化函数,定义如下:
- OS_APP_INIT(sh_system_init);
将宏定义展开
- /*含义是函数指针__os_call_sh_system_init
- *其指向sh_system_init函数,且该指针编译后放在".init_call.6"段
- */
- constos_init_fn_t__os_call_sh_system_init
- __attribute__((section((".init_call.6"))))=sh_system_init
系统自身也有自定义函数,用来标记起止点函数
- OS_INIT_EXPORT(os_init_start,"0");
- OS_INIT_EXPORT(os_board_init_start,"0.end");
- OS_INIT_EXPORT(os_board_init_end,"1.end");
- OS_INIT_EXPORT(os_init_end,"6.end");
最终生成的map文件如下图:
//系统底层在合适的时机调用如下两函数,将指定段区间内的所有函数自动执行
- //系统底层在合适的时机调用如下两函数,将指定段区间内的所有函数自动执行
- voidos_board_auto_init(void)
- {
- constos_init_fn_t*fn_ptr_board_init_start;
- constos_init_fn_t*fn_ptr_board_init_end;
- constos_init_fn_t*fn_ptr;
- fn_ptr_board_init_start=&__os_call_os_board_init_start+1;
- fn_ptr_board_init_end=&__os_call_os_board_init_end-1;
- for(fn_ptr=fn_ptr_board_init_start;fn_ptr<=fn_ptr_board_init_end;fn_ptr++)
- {
- (void)(*fn_ptr)();
- }
- return;
- }
- staticvoidos_other_auto_init(void)
- {
- constos_init_fn_t*fn_ptr_other_init_start;
- constos_init_fn_t*fn_ptr_other_init_end;
- constos_init_fn_t*fn_ptr;
- fn_ptr_other_init_start=&__os_call_os_board_init_end+1;
- fn_ptr_other_init_end=&__os_call_os_init_end-1;
- for(fn_ptr=fn_ptr_other_init_start;fn_ptr<=fn_ptr_other_init_end;fn_ptr++)
- {
- (void)(*fn_ptr)();
- }
- return;
- }
系统执行os_other_auto_init时实现了sh_system_init的自动执行,即使应用层没有显示的去调用它。使用符号段的方式实现初始化函数自动执行,应用层修改软件,增加功能启动或者裁剪,对底层代码无需任何改动。
3.3 设备框架
3.3.1 设备模型
一般HAL包括GPIO、UART、ADC等,每个设备节点的类型和控制接口、参数个数及含义完全不同,即使都是GPIO,不同原厂提供的接口也各不相同。设备框架就是在底层封装原始API,然后统一注册到设备节点表,使用时获取节点及其对应的操作接口,这样应用层的代码在风格上比较统一。
应用层需要操作设备时,根据名称查找设备,再使用该提供的API进行操作,无需关注该设备具体对应的端口、状态等细节信息;其风格与linux驱动接近。
3.3.2 设备注册
以I2C设备为例:
- #defineOS_DEVICE_INFOstaticOS_SECTION("device_table")constos_device_info_t
- OS_DEVICE_INFOasr1603_i2c1_device={
- .name="i2c1",
- .driver="ASR1603_I2C_DRIVER",
- .info=OS_NULL,
- };
- OS_DEVICE_INFOasr1603_i2c2_device={
- .name="i2c2",
- .driver="ASR1603_I2C_DRIVER",
- .info=OS_NULL,
- };
所有的设备信息存在device_table段,只是分配设备驱动类型和名称。
- OS_DRIVER_INFOasr1603_i2c_driver={
- .name="ASR1603_I2C_DRIVER",
- .probe=asr1603_i2c_probe,//I2C设备初始化和注册
- };
- OS_DRIVER_DEFINE(asr1603_i2c_driver,"2");
- #defineOS_DRIVER_DEFINE(_driver_,sequence)\
- staticos_err_t__driver_##_driver_##_init(void)\
- {\
- returndriver_match_devices(&_driver_);\
- }\
- OS_INIT_EXPORT(__driver_##_driver_##_init,sequence)
- //OS_INIT_EXPORT即为前面提到的开机自启动定义宏
开机后自动执行_asr1603_i2c_driver_driver__init,也就是自动将device_table段设备对应的驱动程序asr1603_i2c_probe自动执行,实现了所有设备的初始化,
- staticintasr1603_i2c_probe(constos_driver_info_t*drv,constos_device_in
- fo_t*dev)
- {
- ...
- //所有的I2C设备(一种设备有多个)进行初始化
- if(!strcmp(dev->name,"i2c1"))
- {
- g_i2c1.id=ASR1603_DEV_I2C1;
- i2c_p=&g_i2c1;
- }
- elseif(!strcmp(dev->name,"i2c2"))
- {
- g_i2c2.id=ASR1603_DEV_I2C2;
- i2c_p=&g_i2c2;
- }
- ....
- asr1603_wrap_i2c_init(i2c_p->id);
- i2c_p->i2c_bus.ops=&i2c_bus_ops;//底层操作I2C的接口,与实际硬件绑定
- i2c_p->i2c_bus.priv=i2c_p;
- ret=os_i2c_bus_device_register(&(i2c_p->i2c_bus),dev->name,OS_DEVICE
- _FLAG_RDWR,&(i2c_p->i2c_bus));
- returnret;
- }
os_i2c_bus_device_register将I2C设备注册到系统设备列表os_device_list,包括其对外接口i2c_ops。
- structos_device_ops
- {
- os_err_t(*init)(os_device_t*dev);
- os_err_t(*open)(os_device_t*dev,os_uint16_toflag);
- os_err_t(*close)(os_device_t*dev);
- os_size_t(*read)(os_device_t*dev,os_off_tpos,void*buffer,os_size_tsize);
- os_size_t(*write)(os_device_t*dev,os_off_tpos,constvoid*buffer,os_size_tsize);
- os_err_t(*control)(os_device_t*dev,os_int32_tcmd,void*args);
- };
所有设备对外提供接口都类似,部分不支持的为NULL,风格和linux设备驱动一致,这些接口是封装前面i2c_bus_ops提供的硬件特有驱动,这样完成了I2C设备框架与硬件驱动绑定以及自动初始化。
3.3.3 框架应用
应用层使用I2C设备:
- os_device_find("i2c1");
获取成功后,正常流程是使用i2c_ops提供的接口操作设备,实际调用也基于i2c_bus_ops封装的接口,可见oneos也不太标准;最佳操作可以参考UART的用法。
3.4 模组连接套件
模组连接套件 Molink (Module link kit),设备通过AT与网络模组交互的接口,内置基带的使用虚拟AT通道。
Molink对单片机加模组的方案非常合适,对内置基带的芯片,反而影响效率,因为其AT是阻塞方式实现,例如扫描周围wifi热点,会导致当前task阻塞几秒钟,这样处理只是为统一API接口,实现MCU+模组和内置基带两种硬件方案的应用代码无缝迁移。
名称高大上,其实就是开机初始化一个大数组,在module_asr1603_create(),不同作用的AT分类,封装AT收发、解析接口。
使用mo-link先获取数组中对应项,使用其支持的API操作AT指令,以阻塞方式运行。对于ASR1603内置基带的,socket没有使用AT方式,而是LWIP接口,这种效率高。
3.5 Shell工具
和linux中shell类似,以命令行触发函数运行,在shell控制口,默认是OS_CONSOLE_DEVICE_NAME输入命令,shell task会解析并自动扫描内部函数表,执行函数后输出回应,将结果显示在控制终端上。
Shell对软件调试非常方便,例如调试I2C接口,只需定义:
- SH_CMD_EXPORT(test,test_i2c,"testi2capi");
开机后串口输入test字符串,设备即运行test_i2c()函数,其原理如下:
- #defineSH_CMD_EXPORT(cmd,func,desc)SH_FUNCTION_EXPORT_CMD(func,__cmd_##cmd,desc)
- #defineSH_FUNCTION_EXPORT_CMD(func,cmd,desc)\
- constchar__fsym_##cmd##_name[]=#cmd;\
- constchar__fsym_##cmd##_desc[]=desc;\
- OS_USEDconstsh_syscall_t__fsym_##cmdOS_SECTION("FSymTab")=\
- {\
- __fsym_##cmd##_name,\
- __fsym_##cmd##_desc,\
- (syscall_func_t)func\
- };
SH_CMD_EXPORT宏将前面i2c提供的参数转换,在FsymTab段创建一个名为__fsym___cmd_test的结构体,其3个成员分别是字符名,描述和函数体。
- OS_APP_INIT(sh_system_init);
开机自启动sh_system_init,创建gs_shell_task任务,接收shell控制口的字符数据,满足一定条件后进入sh_exec,搜索FsymTab段区间变量名,sh_get_cmd_func找到对应函数再执行。
shell工具便于调试,调试复杂功能注意栈空间;但其在数据安全方面存在较大隐患,且占用独立的task和串口,浪费硬件资源,正式发布的软件务必关闭。
3.6 单元测试
类比assert的作用,判断条件为假时触发异常,单元测试与其类似,统计判断结果导致报告。OneOS 开发的单元测试框架atest(and test),和网上开源的差不多。
- #defineATEST_TC_EXPORT(name,testcase,init,cleanup,priority)\
- OS_USEDstaticconstatest_tc_entry_tgs_atest##testcaseOS_SECTION("AtestTcTab")=\
- {\
- #name,\
- init,\
- testcase,\
- cleanup,\
- priority\
- };
其原理就是软件自动执行某一段代码,将运行结果和期望值进行比较并统计,对软件质量的检测效果,取决于单元测试用例的设计水平。该功能与平台无关,适用于新平台首次使用时测试API。
4、 Python开发
基于前面shell的原理,可以按输入的字符串执行与之绑定的函数,如果对字符串进行一定的规则定义,支持自动解析执行,即可实现函数按提供的文本执行。这套文本规则就是python语法,解析器就是MicroPython内核,这样就能实现在嵌入式平台使用python开发。
MicroPython对软件进行天然的分层,严格区分驱动层和应用层,实现应用软件的跨平台移植。Oneos集成的就是开源的MicroPython,其源码下载地址是:https://github.com/micropython/micropython
OneOS-MicroPython开发环境:VsCode+NODE+Pymakr ,其中.mpy文件混淆加密的工具在MicroPython源码mpy-cross中自行编译。
短期内Python不会成为嵌入式的主流开发语言,但掌握其基础也有大有裨益。
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/MRYaZlrBYxA_dJdmK-f85w