芯耀
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1、oneos系統(tǒng)
1.1 開發(fā)手冊
OneOS是中國移動針對物聯(lián)網領域推出的輕量級操作系統(tǒng)，具有可裁剪、跨平臺、低功耗、高安全等特點，支持ARM Cortex-M、MIPS、RISC-V等主流芯片架構，兼容POSIX、CMSIS等標準接口，支持MicroPython語言開發(fā)，提供圖形化開發(fā)工具，能夠有效提升開發(fā)效率并降低開發(fā)成本，集成公共組件，適用于安全易用的物聯(lián)網產品。
移動官網提供完善的oneos開發(fā)文檔 https://os.iot.10086.cn/v2/doc/homePage
也可參考RT-Thread的資料，https://www.rt-thread.org/document/site/#/
1.2 開發(fā)工具
OneOS開發(fā)環(huán)境是基于命令行的OneOS-Cube，在對應工程目錄下，執(zhí)行menuconfig配置系統(tǒng)，scons編譯構造。
具體操作說明：https://os.iot.10086.cn/v2/doc/detailPage/documentHtml?idss=157071776529260544&proId=156799478777782272
1.3 軟件框架
OneOS總體架構采用分層設計，主體由驅動、內核、組件、安全框架組成，采用一個輕量級內核加多個系統(tǒng)組件的模式。
與freeRTOS只包括內核相比，oneos支持通用組件或第三方庫，尤其對接移動平臺方便，遵循 Apache 2.0 license 開源協(xié)議，任意使用。
1.4 內核
Oneos內核提供任務管理調度、任務間同步與通信、定時器、內存管理等常用RTOS功能，與常規(guī)的RTOS如freeRTOS相比，僅有幾點小區(qū)別：
1、任務，創(chuàng)建task后需要額外調用才啟動，不同于freeRTOS創(chuàng)建所有的task后統(tǒng)一啟動調度，全部task都開始執(zhí)行。這種各task獨立啟動的，需要注意先后關系，不能task1啟動后就向task2的隊列發(fā)消息，此時隊列可能為NULL且發(fā)送前沒有判斷，會導致重啟。
2、消息隊列，其動態(tài)創(chuàng)建和發(fā)送接口類似，但接收隊列消息需要傳入的參數不同，需要傳入期望接收的字節(jié)大小。巧合的是項目使用的消息隊列都是同一個結構體，如果不一致，需要特殊處理。
3、工作隊列，將task進行了一定封裝，不需要為處理某個事件而新建task，交給系統(tǒng)提前創(chuàng)建的task統(tǒng)一執(zhí)行，執(zhí)行結束后觸發(fā)回調函數，這樣多個長時間運行但不經常觸發(fā)的，可以交給工作隊列處理，該功能在UIS8910中系統(tǒng)自帶。
4、郵箱，Oneos特有的，可理解為簡化版的消息隊列。
如果對freeRTOS不熟悉的，可以參考入門文章<FreeRTOS及其應用，萬字長文，基礎入門>。
1.5 組件
正如前面提到，如何使用oneos，移動官網有詳細的說明，本文只是介紹oneos的基本開發(fā)流程，分析其部分功能的實現方式，后續(xù)以其設備框架、SHELL和單元測試三部分為主。
2、系統(tǒng)移植
2.1 開發(fā)流程
基于oneos的開發(fā)方式和以往不同，先將原始工程編譯生成庫，全部復制到oneos工程，再基于oneos系統(tǒng)開發(fā)業(yè)務邏輯，其開發(fā)環(huán)境和原始工程開發(fā)環(huán)境無關。Oneos工程編譯生成的bin文件下載到設備，完整版本支持microPython，可以導入python文件直接運行。
可能部分功能比較特殊，使用原始庫文件無法實現，例如獲取系統(tǒng)某個參數。在原始工程開發(fā)，可以直接將客制化代碼插入某個接口攔截，基于oneos開發(fā)時盡量避免，但是實在不行也只能這樣。這樣操作后，原始工程編譯成功，但鏈接肯定失敗，但不影響結果，只要輸出lib庫即可。
2.2 操作系統(tǒng)適配
如果沒有原始SDK，要運行oneos，直接將原始庫，例如STM32原廠HAL庫復制到oneos/thirdparty即可；但是有基礎SDK，且SDK是基于其它RTOS開發(fā)，則其庫要在oneos運行，需要進行適配轉換，存在兩種方式。
以目前支持cat1網絡比較火的兩個芯片平臺為例。紫光展銳UIS8910平臺使用freeRTOS，且基本開源，因此可以將UIS8910工程中的freeRTOS系統(tǒng)接口，其函數內容替換使用oneos的接口實現。
翱捷ASR1603平臺使用threadX，且已封庫，因此是在oneos工程，將oneos的系統(tǒng)內核接口函數內容使用ASR1603提供的庫實現。
<公眾號：嵌入式系統(tǒng)>
前者UIS8910是oneos直接在底層替換了freeRTOS，相當于只運行了一套較為干凈的oneos；后者完全是將兩套RTOS的接口互相匹配，且中間并不是一對一替換。
2.3 風險與限制
原始工程開發(fā)函數是直接調用，引入oneos框架后，內核適配、驅動框架增加了代碼量，運行效率也存在一定損失。對網絡modem相關的操作，oneos使用AT通信，其阻塞方式對原有應用邏輯存在較大影響，不如原始API便捷。
3、系統(tǒng)組件
3.1 編譯器關鍵字
重點介紹section關鍵字，后續(xù)章節(jié)都與其有關，section主要作用是將函數或者變量放在指定段中，可在指定的地方取函數執(zhí)行。
//main.c
//section demo
#include "stdio.h"
int __attribute__((section("my_fun"))) test1(int a,int b)
{
return (a+b);
}
int test(int b)
{
return 2*b;
}
int __attribute__((section("my_fun"))) test0(int a,int b)
{
return (a*b);
}
int __attribute__((section("my_val"))) chengi;
int __attribute__((section("my_val"))) chengj;
int main(void)
{
int sum,c,j;
chengi=1,chengj=2;
sum=test1(chengi,chengj);
c=test(100);
j=test0(chengi,chengj);
printf("sum=%d,c=%d,j=%drn",sum,c,j);
return 0;
}
編譯生成map文件：
gcc -o main.exe main.c -Wl,-Map,my_test.map
my_test.map 文件片段如下：
.text 0x00401460 0xa0 C:UsersthinkccmGLaeH.o0x00401460 test0x0040146a main
.text 0x00401500 0x0 c:/mingw/bin/../libmingw32.a(CRTglob.o)
...... my_fun 0x00404000 0x200 [!provide] PROVIDE (___start_my_fun, .)
my_fun 0x00404000 0x1c C:UsersthinkccmGLaeH.o
0x00404000 test10x0040400d test0
[!provide] PROVIDE (___stop_my_fun, .)
.data 0x00405000 0x200
0x00405000 _data_start_ = . ...... *(.data_cygwin_nocopy) my_val 0x00406000 0x200
[!provide] PROVIDE (___start_my_val, .)
my_val 0x00406000 0x8 C:UsersthinkccdMcTrl.o0x00406000 chengi0x00406004 chengj
[!provide] PROVIDE (___stop_my_val, .)
.rdata 0x00407000 0x400
分析可見，使用section修飾的函數和變量在自定義的片段，而且是連續(xù)存放，這樣可根據變量的地址得出與其同段變量的地址，為后續(xù)自動初始化等功能提供了基礎。
3.2 自動初始化
基于前面section的作用，可以將同類函數指針全部使用同一個段名修飾，然后開機后系統(tǒng)自動檢索段內函數指針，逐個執(zhí)行，對上層應用就是無需主動調用，系統(tǒng)自動初始化?？紤]到硬件初始化與應用功能初始化的先后順序，可以對段名進行分配，map文件按段名排序。自動初始化主體是OS_INIT_EXPORT宏。
typedef os_err_t (*os_init_fn_t)(void);
#define OS_INIT_EXPORT(fn, level)
const os_init_fn_t __os_call_##fn OS_SECTION(".init_call."level) = fn
#define OS_BOARD_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "1")
#define OS_PREV_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "2")
#define OS_DEVICE_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "3")
#define OS_CMPOENT_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "4")
#define OS_ENV_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "5")
#define OS_APP_INIT(fn) OS_INIT_EXPORT(fn, "6")
例如shell初始化函數，定義如下：
OS_APP_INIT(sh_system_init);
將宏定義展開
/* 含義是函數指針 __os_call_sh_system_init
* 其指向sh_system_init函數，且該指針編譯后放在".init_call.6"段
*/
const os_init_fn_t __os_call_sh_system_init
__attribute__((section((".init_call.6")))) = sh_system_init
系統(tǒng)自身也有自定義函數，用來標記起止點函數
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");
最終生成的map文件如下圖：
//系統(tǒng)底層在合適的時機調用如下兩函數，將指定段區(qū)間內的所有函數自動執(zhí)行
void os_board_auto_init(void)
{
const os_init_fn_t *fn_ptr_board_init_start;
const os_init_fn_t *fn_ptr_board_init_end;
const os_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;
}
static void os_other_auto_init(void)
{
const os_init_fn_t *fn_ptr_other_init_start;
const os_init_fn_t *fn_ptr_other_init_end;
const os_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;
}
系統(tǒng)執(zhí)行os_other_auto_init時實現了sh_system_init的自動執(zhí)行，即使應用層沒有顯示的去調用它。使用符號段的方式實現初始化函數自動執(zhí)行，應用層修改軟件，增加功能啟動或者裁剪，對底層代碼無需任何改動。
3.3 設備框架
3.3.1 設備模型
一般HAL包括GPIO、UART、ADC等，每個設備節(jié)點的類型和控制接口、參數個數及含義完全不同，即使都是GPIO，不同原廠提供的接口也各不相同。設備框架就是在底層封裝原始API，然后統(tǒng)一注冊到設備節(jié)點表，使用時獲取節(jié)點及其對應的操作接口，這樣應用層的代碼在風格上比較統(tǒng)一。
應用層需要操作設備時，根據名稱查找設備，再使用該提供的API進行操作，無需關注該設備具體對應的端口、狀態(tài)等細節(jié)信息；其風格與linux驅動接近。
3.3.2 設備注冊
以I2C設備為例：
#define OS_DEVICE_INFO static OS_SECTION("device_table") const os_device_info_t
OS_DEVICE_INFO asr1603_i2c1_device = {
.name = "i2c1",
.driver = "ASR1603_I2C_DRIVER",
.info = OS_NULL,
};
OS_DEVICE_INFO asr1603_i2c2_device = {
.name = "i2c2",
.driver = "ASR1603_I2C_DRIVER",
.info = OS_NULL,
};
所有的設備信息存在device_table段，只是分配設備驅動類型和名稱。
OS_DRIVER_INFO asr1603_i2c_driver = {
.name = "ASR1603_I2C_DRIVER",
.probe = asr1603_i2c_probe, //I2C設備初始化和注冊
};
OS_DRIVER_DEFINE(asr1603_i2c_driver, "2");
#define OS_DRIVER_DEFINE(_driver_, sequence)
static os_err_t __driver_##_driver_##_init(void)
{
return driver_match_devices(&_driver_);
}
OS_INIT_EXPORT(__driver_##_driver_##_init, sequence)
//OS_INIT_EXPORT即為前面提到的開機自啟動定義宏
開機后自動執(zhí)行_asr1603_i2c_driver_driver__init，也就是自動將device_table段設備對應的驅動程序asr1603_i2c_probe自動執(zhí)行，實現了所有設備的初始化，
static int asr1603_i2c_probe(const os_driver_info_t *drv, const os_device_in
fo_t *dev)
{
...
//所有的 I2C 設備（一種設備有多個）進行初始化
if(!strcmp(dev->name, "i2c1"))
{
g_i2c1.id = ASR1603_DEV_I2C1;
i2c_p = &g_i2c1;
}
else if(!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; //底層操作 I2C 的接口，與實際硬件綁定
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));
return ret;
}
os_i2c_bus_device_register將I2C設備注冊到系統(tǒng)設備列表os_device_list，包括其對外接口i2c_ops。
struct os_device_ops
{
os_err_t (*init) (os_device_t *dev);
os_err_t (*open) (os_device_t *dev, os_uint16_t oflag);
os_err_t (*close) (os_device_t *dev);
os_size_t (*read) (os_device_t *dev, os_off_t pos, void *buffer, os_size_t size);
os_size_t (*write) (os_device_t *dev, os_off_t pos, const void *buffer, os_size_t size);
os_err_t (*control)(os_device_t *dev, os_int32_t cmd, void *args);
};
所有設備對外提供接口都類似，部分不支持的為NULL，風格和linux設備驅動一致，這些接口是封裝前面i2c_bus_ops提供的硬件特有驅動，這樣完成了I2C設備框架與硬件驅動綁定以及自動初始化。
3.3.3 框架應用
應用層使用I2C設備：
os_device_find("i2c1");
獲取成功后，正常流程是使用i2c_ops提供的接口操作設備，實際調用也基于i2c_bus_ops封裝的接口，可見oneos也不太標準；最佳操作可以參考UART的用法。
3.4 模組連接套件
模組連接套件 Molink (Module link kit)，設備通過AT與網絡模組交互的接口，內置基帶的使用虛擬AT通道。
Molink對單片機加模組的方案非常合適，對內置基帶的芯片，反而影響效率，因為其AT是阻塞方式實現，例如掃描周圍wifi熱點，會導致當前task阻塞幾秒鐘，這樣處理只是為統(tǒng)一API接口，實現MCU+模組和內置基帶兩種硬件方案的應用代碼無縫遷移。
名稱高大上，其實就是開機初始化一個大數組，在module_asr1603_create()，不同作用的AT分類，封裝AT收發(fā)、解析接口。
使用mo-link先獲取數組中對應項，使用其支持的API操作AT指令，以阻塞方式運行。對于ASR1603內置基帶的，socket沒有使用AT方式，而是LWIP接口，這種效率高。
3.5 Shell工具
和linux中shell類似，以命令行觸發(fā)函數運行，在shell控制口，默認是OS_CONSOLE_DEVICE_NAME輸入命令，shell task會解析并自動掃描內部函數表，執(zhí)行函數后輸出回應，將結果顯示在控制終端上。
Shell對軟件調試非常方便，例如調試I2C接口，只需定義：
SH_CMD_EXPORT(test, test_i2c, "test i2c api");
開機后串口輸入test字符串，設備即運行test_i2c()函數，其原理如下：
#define SH_CMD_EXPORT(cmd, func, desc) SH_FUNCTION_EXPORT_CMD(func, __cmd_##cmd, desc)
#define SH_FUNCTION_EXPORT_CMD(func, cmd, desc)
const char __fsym_##cmd##_name[] = #cmd;
const char __fsym_##cmd##_desc[] = desc;
OS_USED const sh_syscall_t __fsym_##cmd OS_SECTION("FSymTab") =
{
__fsym_##cmd##_name,
__fsym_##cmd##_desc,
(syscall_func_t)func
};
SH_CMD_EXPORT宏將前面i2c提供的參數轉換，在FsymTab段創(chuàng)建一個名為__fsym___cmd_test的結構體，其3個成員分別是字符名，描述和函數體。
OS_APP_INIT(sh_system_init);
開機自啟動sh_system_init，創(chuàng)建gs_shell_task任務，接收shell控制口的字符數據，滿足一定條件后進入sh_exec，搜索FsymTab段區(qū)間變量名，sh_get_cmd_func找到對應函數再執(zhí)行。
shell工具便于調試，調試復雜功能注意?？臻g；但其在數據安全方面存在較大隱患，且占用獨立的task和串口，浪費硬件資源，正式發(fā)布的軟件務必關閉。
3.6 單元測試
類比assert的作用，判斷條件為假時觸發(fā)異常，單元測試與其類似，統(tǒng)計判斷結果導致報告。OneOS 開發(fā)的單元測試框架atest（and test），和網上開源的差不多。
#define ATEST_TC_EXPORT(name, testcase, init, cleanup, priority)
OS_USED static const atest_tc_entry_t gs_atest##testcase OS_SECTION("AtestTcTab") =
{
#name,
init,
testcase,
cleanup,
priority
};
其原理就是軟件自動執(zhí)行某一段代碼，將運行結果和期望值進行比較并統(tǒng)計，對軟件質量的檢測效果，取決于單元測試用例的設計水平。該功能與平臺無關，適用于新平臺首次使用時測試API。
4、 Python開發(fā)
基于前面shell的原理，可以按輸入的字符串執(zhí)行與之綁定的函數，如果對字符串進行一定的規(guī)則定義，支持自動解析執(zhí)行，即可實現函數按提供的文本執(zhí)行。這套文本規(guī)則就是python語法，解析器就是MicroPython內核，這樣就能實現在嵌入式平臺使用python開發(fā)。
MicroPython對軟件進行天然的分層，嚴格區(qū)分驅動層和應用層，實現應用軟件的跨平臺移植。Oneos集成的就是開源的MicroPython，其源碼下載地址是：https://github.com/micropython/micropython
OneOS-MicroPython開發(fā)環(huán)境：VsCode+NODE+Pymakr ，其中.mpy文件混淆加密的工具在MicroPython源碼mpy-cross中自行編譯。
短期內Python不會成為嵌入式的主流開發(fā)語言，但掌握其基礎也有大有裨益。
