中國移動 Oneos 框架基礎(chǔ)及其組件解析
1、oneos系統(tǒng)
1.1 開發(fā)手冊
OneOS是中國移動針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(diǎn)，支持ARM Cortex-M、MIPS、RISC-V等主流芯片架構(gòu)，兼容POSIX、CMSIS等標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)產(chǎn)品。
移動官網(wǎng)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(yīng)工程目錄下，執(zhí)行menuconfig配置系統(tǒng)，scons編譯構(gòu)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(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，主體由驅(qū)動、內(nèi)核、組件、安全框架組成，采用一個輕量級內(nèi)核加多個系統(tǒng)組件的模式。
與freeRTOS只包括內(nèi)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(nèi)核
Oneos內(nèi)核提供任務(wù)管理調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、定時器、內(nèi)存管理等常用RTOS功能，與常規(guī)的RTOS如freeRTOS相比，僅有幾點(diǎn)小區(qū)別：
1、任務(wù)，創(chuàng)建task后需要額外調(diào)用才啟動，不同于freeRTOS創(chuàng)建所有的task后統(tǒng)一啟動調(diào)度，全部task都開始執(zhí)行。這種各task獨(dú)立啟動的，需要注意先后關(guān)系，不能task1啟動后就向task2的隊(duì)列發(fā)消息，此時隊(duì)列可能為NULL且發(fā)送前沒有判斷，會導(dǎo)致重啟。
2、消息隊(duì)列，其動態(tài)創(chuàng)建和發(fā)送接口類似，但接收隊(duì)列消息需要傳入的參數(shù)不同，需要傳入期望接收的字節(jié)大小。巧合的是項(xiàng)目使用的消息隊(duì)列都是同一個結(jié)構(gòu)體，如果不一致，需要特殊處理。
3、工作隊(duì)列，將task進(jìn)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(jié)束后觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，這樣多個長時間運(yùn)行但不經(jīng)常觸發(fā)的，可以交給工作隊(duì)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(duì)列。
如果對freeRTOS不熟悉的，可以參考入門文章
1.5 組件
正如前面提到，如何使用oneos，移動官網(wǎng)有詳細(xì)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(shí)現(xiàn)方式，后續(xù)以其設(shè)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(fù)制到oneos工程，再基于oneos系統(tǒng)開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯，其開發(fā)環(huán)境和原始工程開發(fā)環(huán)境無關(guān)。Oneos工程編譯生成的bin文件下載到設(shè)備，完整版本支持microPython，可以導(dǎo)入python文件直接運(yùn)行。
可能部分功能比較特殊，使用原始庫文件無法實(shí)現(xiàn)，例如獲取系統(tǒng)某個參數(shù)。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(shí)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(jié)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(yùn)行oneos，直接將原始庫，例如STM32原廠HAL庫復(fù)制到oneos/thirdparty即可;但是有基礎(chǔ)SDK，且SDK是基于其它RTOS開發(fā)，則其庫要在oneos運(yùn)行，需要進(jìn)行適配轉(zhuǎn)換，存在兩種方式。
以目前支持cat1網(wǎng)絡(luò)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(shù)內(nèi)容替換使用oneos的接口實(shí)現(xiàn)。
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(nèi)核接口函數(shù)內(nèi)容使用ASR1603提供的庫實(shí)現(xiàn)。
<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(dāng)于只運(yùn)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(fēng)險與限制
原始工程開發(fā)函數(shù)是直接調(diào)用，引入oneos框架后，內(nèi)核適配、驅(qū)動框架增加了代碼量，運(yùn)行效率也存在一定損失。對網(wǎng)絡(luò)modem相關(guān)的操作，oneos使用AT通信，其阻塞方式對原有應(yīng)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(guān)鍵字
重點(diǎn)介紹section關(guān)鍵字，后續(xù)章節(jié)都與其有關(guān)，section主要作用是將函數(shù)或者變量放在指定段中，可在指定的地方取函數(shù)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=%d\r\n",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:\Users\think\ccmGLaeH.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:\Users\think\ccmGLaeH.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:\Users\think\ccdMcTrl.o0x00406000 chengi0x00406004 chengj
- [!provide] PROVIDE (___stop_my_val, .)
- .rdata 0x00407000 0x400
分析可見，使用section修飾的函數(shù)和變量在自定義的片段，而且是連續(xù)存放，這樣可根據(jù)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(chǔ)。
3.2 自動初始化
基于前面section的作用，可以將同類函數(shù)指針全部使用同一個段名修飾，然后開機(jī)后系統(tǒng)自動檢索段內(nèi)函數(shù)指針，逐個執(zhí)行，對上層應(yīng)用就是無需主動調(diào)用，系統(tǒng)自動初始化。考慮到硬件初始化與應(yīng)用功能初始化的先后順序，可以對段名進(jìn)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(shù)，定義如下：
- OS_APP_INIT(sh_system_init);
將宏定義展開
- /* 含義是函數(shù)指針 __os_call_sh_system_init
- * 其指向sh_system_init函數(shù)，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(shù)，用來標(biāo)記起止點(diǎn)函數(shù)
- 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(jī)調(diào)用如下兩函數(shù)，將指定段區(qū)間內(nèi)的所有函數(shù)自動執(zhí)行
- //系統(tǒng)底層在合適的時機(jī)調(diào)用如下兩函數(shù)，將指定段區(qū)間內(nèi)的所有函數(shù)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(shí)現(xiàn)了sh_system_init的自動執(zhí)行，即使應(yīng)用層沒有顯示的去調(diào)用它。使用符號段的方式實(shí)現(xiàn)初始化函數(shù)自動執(zhí)行，應(yīng)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(shè)備框架
3.3.1 設(shè)備模型
一般HAL包括GPIO、UART、ADC等，每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)的類型和控制接口、參數(shù)個數(shù)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(shè)備框架就是在底層封裝原始API，然后統(tǒng)一注冊到設(shè)備節(jié)點(diǎn)表，使用時獲取節(jié)點(diǎn)及其對應(yīng)的操作接口，這樣應(yīng)用層的代碼在風(fēng)格上比較統(tǒng)一。
應(yīng)用層需要操作設(shè)備時，根據(jù)名稱查找設(shè)備，再使用該提供的API進(jìn)行操作，無需關(guān)注該設(shè)備具體對應(yīng)的端口、狀態(tài)等細(xì)節(jié)信息;其風(fēng)格與linux驅(qū)動接近。
3.3.2 設(shè)備注冊
以I2C設(shè)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(shè)備信息存在device_table段，只是分配設(shè)備驅(qū)動類型和名稱。
- OS_DRIVER_INFO asr1603_i2c_driver = {
- .name = "ASR1603_I2C_DRIVER",
- .probe = asr1603_i2c_probe, //I2C設(shè)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(jī)自啟動定義宏
開機(jī)后自動執(zhí)行_asr1603_i2c_driver_driver__init，也就是自動將device_table段設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序asr1603_i2c_probe自動執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)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(shè)備（一種設(shè)備有多個）進(jìn)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(shí)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(shè)備注冊到系統(tǒng)設(shè)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(shè)備對外提供接口都類似，部分不支持的為NULL，風(fēng)格和linux設(shè)備驅(qū)動一致，這些接口是封裝前面i2c_bus_ops提供的硬件特有驅(qū)動，這樣完成了I2C設(shè)備框架與硬件驅(qū)動綁定以及自動初始化。
3.3.3 框架應(yīng)用
應(yīng)用層使用I2C設(shè)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(shè)備，實(shí)際調(diào)用也基于i2c_bus_ops封裝的接口，可見oneos也不太標(biāo)準(zhǔn);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(shè)備通過AT與網(wǎng)絡(luò)模組交互的接口，內(nèi)置基帶的使用虛擬AT通道。
Molink對單片機(jī)加模組的方案非常合適，對內(nèi)置基帶的芯片，反而影響效率，因?yàn)槠銩T是阻塞方式實(shí)現(xiàn)，例如掃描周圍wifi熱點(diǎn)，會導(dǎo)致當(dāng)前task阻塞幾秒鐘，這樣處理只是為統(tǒng)一API接口，實(shí)現(xiàn)MCU+模組和內(nèi)置基帶兩種硬件方案的應(yīng)用代碼無縫遷移。
名稱高大上，其實(shí)就是開機(jī)初始化一個大數(shù)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(shù)組中對應(yīng)項(xiàng)，使用其支持的API操作AT指令，以阻塞方式運(yùn)行。對于ASR1603內(nèi)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(shù)運(yùn)行，在shell控制口，默認(rèn)是OS_CONSOLE_DEVICE_NAME輸入命令，shell task會解析并自動掃描內(nèi)部函數(shù)表，執(zhí)行函數(shù)后輸出回應(yīng)，將結(jié)果顯示在控制終端上。
Shell對軟件調(diào)試非常方便，例如調(diào)試I2C接口，只需定義：
- SH_CMD_EXPORT(test, test_i2c, "test i2c api");
開機(jī)后串口輸入test字符串，設(shè)備即運(yùn)行test_i2c()函數(shù)，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(shù)轉(zhuǎn)換，在FsymTab段創(chuàng)建一個名為__fsym___cmd_test的結(jié)構(gòu)體，其3個成員分別是字符名，描述和函數(shù)體。
- OS_APP_INIT(sh_system_init);
開機(jī)自啟動sh_system_init，創(chuàng)建gs_shell_task任務(wù)，接收shell控制口的字符數(shù)據(jù)，滿足一定條件后進(jìn)入sh_exec，搜索FsymTab段區(qū)間變量名，sh_get_cmd_func找到對應(yīng)函數(shù)再執(zhí)行。
shell工具便于調(diào)試，調(diào)試復(fù)雜功能注意?？臻g;但其在數(shù)據(jù)安全方面存在較大隱患，且占用獨(dú)立的task和串口，浪費(fèi)硬件資源，正式發(fā)布的軟件務(wù)必關(guān)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(jì)判斷結(jié)果導(dǎo)致報告。OneOS 開發(fā)的單元測試框架atest(and test)，和網(wǎng)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(yùn)行結(jié)果和期望值進(jìn)行比較并統(tǒng)計(jì)，對軟件質(zhì)量的檢測效果，取決于單元測試用例的設(shè)計(jì)水平。該功能與平臺無關(guān)，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(shù)，如果對字符串進(jìn)行一定的規(guī)則定義，支持自動解析執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)函數(shù)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(nèi)核，這樣就能實(shí)現(xiàn)在嵌入式平臺使用python開發(fā)。
MicroPython對軟件進(jìn)行天然的分層，嚴(yán)格區(qū)分驅(qū)動層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(nèi)Python不會成為嵌入式的主流開發(fā)語言，但掌握其基礎(chǔ)也有大有裨益。
