基于SOPC的華為鴻蒙LiteOS操作系統(tǒng)移植

　　[摘要]在萬物物聯(lián)的時代，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量大幅增加。隨著需求的不斷提高，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品方案的設(shè)計靈活性應當?shù)玫阶銐虻闹匾暋碜匀A為的國產(chǎn)開源物聯(lián)網(wǎng)實時操作系統(tǒng)LiteOS內(nèi)核精簡、安全性、實時性高。在移動物聯(lián)網(wǎng)終端有著廣泛的應用前景。本文介紹了一種基于SOPC平臺的華為LiteOS的移植，對通過使用FPGA平臺的芯片系統(tǒng)應用方案設(shè)計具有一定的參考價值。

　　本文源自王浩天; 汲偉明， 科技經(jīng)濟導刊 發(fā)表時間：2021-04-25

　　[關(guān)鍵詞]實時操作系統(tǒng);鴻蒙LiteOS;FPGA;移植

　　1.研究背景

　　實時操作系統(tǒng)，尤其是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中不可或缺的組成部分。隨著嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的需求復雜度的大幅提高，嵌入式系統(tǒng)的功能和智能化需求也隨之增多，軟件的復雜度不斷提高。相較于直接操作底層硬件，嵌入式實時操作系統(tǒng)能夠更合理、更有效地利用系統(tǒng)資源[1]，其在方案制定和實現(xiàn)階段有著低成本，短開發(fā)周期的特點。常見的嵌入式實時操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　另一方面，雖然網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)正在不斷進步，但受制于成本原因，在低成本方案上運用高性能網(wǎng)絡(luò)傳輸模組的可行性較低，中低端嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品方案通常網(wǎng)絡(luò)帶寬低，很難通云計算進行高效進行實時圖像處理和采集作業(yè)，而使用自身的MCU實現(xiàn)方法速度較慢,丟幀現(xiàn)象普遍,很難滿足速度、精度的要求[2]。

　　FPGA以其相對低功耗，高實時性，可重構(gòu)性強等特點，非常適合芯片方案的設(shè)計和驗證，而通過FPGA的邏輯電路對圖像進行簡單預處理，易于維護且高效[3]。

　　而基于FPGA的片上可編程系統(tǒng)(SystemonProgrammableChip,SOPC)以其靈活度高，可裁減的特點[4]，非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)芯片的系統(tǒng)方案設(shè)計環(huán)節(jié)。

　　綜上所述，在基于FPGA的SOPC中運行實時操作系統(tǒng)能夠在兼具性能的同時對復雜軟件和應用有良好的適應性，這些特性使得此種SOPC平臺在嵌入式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的方案設(shè)計環(huán)節(jié)上有較好的應用前景。

　　2.華為鴻蒙LiteOS操作系統(tǒng)

　　2.1LiteOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征

　　華為LiteOS是一個基于任務優(yōu)先級搶占調(diào)度機制內(nèi)核的操作系統(tǒng)。華為LiteOS整體遵從分層設(shè)計，自下而上可分為：內(nèi)核層、系統(tǒng)服務層、框架層和應用層。系統(tǒng)功能按照：系統(tǒng)->子系統(tǒng)->功能模塊，依次級展開。在不同的設(shè)備環(huán)節(jié)和使用場景下，華為LiteOS支持根據(jù)實際需求裁剪非必要的子系統(tǒng)或功能塊。其基礎(chǔ)內(nèi)核最小可裁剪至10k，因此具有良好的可移植性。

　　2.2LiteOS進程機制

　　業(yè)內(nèi)產(chǎn)生的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)種類繁多，這其中包括AndroidThings，AmazonFreeRTOS,ThreadX等[5]。LiteOS與μC/OS-II類似，采用搶占式調(diào)度機制來控制內(nèi)核進程，并通過為每個用戶態(tài)進程分配獨立的進程空間，使進程之間互不可見，以此實現(xiàn)進程間隔離[6]。

　　在LiteOS中，進程的狀態(tài)主要有如圖三所示的五種(阻塞和阻塞掛起同為一個進程態(tài))。當進程創(chuàng)建后，LiteOS會為每一個進程分配進程空間，在該進程中只能操作自己進程空間的資源，無法操作除公共資源外的其他資源。在使用進程時，允許進程掛起，恢復，延時等操作，同時也可以設(shè)置某個進程調(diào)度優(yōu)先級和調(diào)度策略。當進程結(jié)束的時候，進程會主動釋放持有的進程資源，但該進程持有的pid資源需要通過父進程才能回收。LiteOS的進程狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖四所示。

　　2.3LiteOS的進程優(yōu)先級管理

　　進程是資源分配和獨立運行的基本單位,是操作系統(tǒng)的核心概念[7]。LiteOS內(nèi)核的進程模塊可以提供多個獨立進程，并實現(xiàn)了進程間通信和進程切換。LiteOS內(nèi)核中的進程采用搶占式調(diào)度機制，支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式和FIFO調(diào)度機制。LiteOS內(nèi)核的進程一共有32個優(yōu)先級(0-31)，可被配置的進程優(yōu)先級共有22個，其最高優(yōu)先級為10，最低優(yōu)先級為31。高優(yōu)先級的進程可搶占低優(yōu)先級進程，低優(yōu)先級進程必須在高優(yōu)先級進程阻塞或結(jié)束后才能被CPU調(diào)度。

　　3.片上可編程系統(tǒng)

　　SOPC(SystemonProgrammableChip,可編程片上系統(tǒng)),即用可編程邏輯技術(shù)將整個系統(tǒng)集成到一塊芯片上。SOPC通常是指基于FPGA(Field-ProgrammableGateArray,現(xiàn)場可編程門陣列)的帶1個或多個軟核或者硬核微處理器以及一些外圍設(shè)備的片上系統(tǒng)SoC(SystemOnChip)[8]。SOPC的優(yōu)勢在于其在設(shè)計過程中，能夠快速高效地適應需求升級所帶來的硬件變更，以達到縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的目的。目前，主流的嵌入式軟核處理器有：NiosII處理器[9]和MicroBlaze[10]處理器以及ARM公司提供的軟核。筆者根據(jù)LiteOS提供的可運行平臺以及泛用性綜合考慮，最終選擇了使用ARM公司的Cortex-M3處理器。

　　4.物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)LiteOS在SOPC上的移植

　　本文移植的平臺為來自Xilinx的ZYNQFPGA平臺。在FPGA內(nèi)部運行ARMCortex-M3內(nèi)核，并在此內(nèi)核上完成LiteOS的移植工作。與在傳統(tǒng)MCU上移植操作系統(tǒng)不同，在SOPC上移植操作系統(tǒng)，需要先在FPGA上搭建移植平臺的環(huán)境。

　　4.1基于FPGA的Cortex-M3軟核的搭建

　　ARM公司的Cortex-M3軟處理器(下稱M3)，具有低功耗、高性能、價格低的特點，因此在嵌入式方案設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應用[11]。基于FPGA搭建的M3軟處理器由于其自身軟核的特點，擁有非常多的配置項。筆者使用Vivado工具對M3進行搭建，M3軟處理器的配置如圖5所示。由于在M3軟處理器上移植LiteOS需要使用Keil進行在線調(diào)試和代碼文件燒錄，因此筆者在配置M3軟處理器時，保留了JTAG端口和串行通信端口，并通過AXI總線與其他模塊相連。M3內(nèi)核擁有多達256個中斷，筆者在此僅使用其中的76個。在2.1節(jié)中介紹了LiteOS的最小內(nèi)核僅需10k的內(nèi)存大小，因此這里給CM3內(nèi)核分配256k的flash內(nèi)存。M3軟處理器搭建的示意圖如圖6所示。

　　4.2LiteOS在SOPC上的移植驗證

　　為了驗證LiteOS在SOPC上的移植情況是否成功，筆者在ZYNQ開發(fā)板上通過對LiteOS的單/多任務創(chuàng)建進行移植驗證。在4.1節(jié)中，筆者在搭建Cortex-M3軟核時，將串行通信端口保留，并通過FPGA的可編程引腳直接連接至開發(fā)板上的CH340芯片上。根據(jù)在2.2節(jié)中介紹了LiteOS的任務創(chuàng)建方式，在LiteOS中創(chuàng)建任務需要使用LOS_KernelInit函數(shù)對內(nèi)核進行初始化，當初始化完成后，即可對任務進行初始化，并編寫串行通信輸出函數(shù)，最終在任務啟動函數(shù)LOS_Start中啟動任務。

　　通過對串行通信傳輸數(shù)據(jù)的獲取可知，輸出數(shù)據(jù)與程序內(nèi)部預設(shè)數(shù)據(jù)相同，Cortex-M3軟核已在LiteOS的控制下完成了單任務串口輸出驗證。

　　5.結(jié)語

　　本文介紹了華為LiteOS開源物聯(lián)網(wǎng)實時操作系統(tǒng)的基本原理，并針對LiteOS于運行在SOPC上的Cortex-M3嵌入式軟核的移植進行了說明。通過在LiteOS上運行的串行通信任務對LiteOS在SOPC上的運用方式進行了說明，取得一定的效果。對基于SOPC平臺構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計有一定的參考價值。