如何在C8051F340上移植FreeRTOS并使用SDCC编译开发门禁系统？

　　引言
　　MCS-51系列单片机应用广泛，在我国学习研究的人较多。使用C语言在单片机上开发程序可提高开发效率，目前针对该内核兼容单片机开发的C语言编译器有Keil、Tasking、Raisonance、IAR和Hi-Tech等，但这些都是商业化的产品，使用需要付费购买。使用专为单片机开发的免费C语言编译器SDCC（Small Device C Compiler）则是一个不错的选择。
　　由于技术和工艺的发展，各种MCS～51系列内核兼容的新型单片机不断推出，除了运行速度提高，内部资源也逐渐丰富。例如，Silicon Labs公司推出的C8051F系列单片机，兼容8051内核，功能强大，运算速度快，处理能力强，为复杂软件的运行提供了可能。
　　本文介绍了SDCC编译器和FreeRTOS实时操作系统，在C8051F340上移植了FreeRTOS并使用SDCC编译开发了门禁系统。事实证明，使用免费的资源完全可以满足某些系统的开发需求。
　　1 SDCC编译器和FreeRTOS简介
　　SDCC是Sandeep Dutta为8位微控制器设计的一个开放源代码、可编译产生不同CPU的目标代码、优化的ANSI-C编译器。当前版本的目标CPU是Intel公司的 MCS-51兼容系列微处理器芯片、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编译器的代码遵循GPL协议发布，可以免费使用。
　　FreeRTOS是为小型嵌入式系统开发的一个开放源代码、免费的实时操作系统内核。其内核大部分使用C语言编程，具有高度的可移植性，目前已经被移植到的处理器平台超过19种。FreeRTOS操作系统商业应用免费，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行。FreeRTOS提供的功能包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等功能，可基本满足较小系统的需要。
　　2 FreeRTOS在C8051 F340中的移植和调试
　　FreeRTOS设计时就考虑了在各种平台上的可移植性，内核大部分代码使用C语言编写，少数代码使用相应平台的汇编语言编写并且这部分被压缩到最小。 FreeR-TOS已经被移植到各种微控制器上，在8051平台上也有相应的移植代码。从FreeRTOS网站下载得到的程序中，包含了一个在 C8051F120单片机上的移植版本。C8051F120和C8051F340单片机在硬件资源上的主要差别，如表1所列。
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　　FreeRTOS对目标平台硬件资源的要求不高，最后编译的目标代码量由所选配置选项决定。一般需要2 KBRAM和10 KB左右的ROM即可运行。由表1可以看出，二者的硬件平台比较接近，因此移植工作量不大。针对C8051F120和C8051F340单片机硬件平台的差别，将在C8051F120单片机上运行的FreeRTOS移植到C8051F340平台上所做的工作包括：替换C8051F120CPU的头文件，调整RAM范围大小，修改外部晶振频率，修改时钟滴答数等。
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　　修改的文件有FreeRTOS＼Demo＼
　　FreeRTOS的C8051F120平台移植代码中使用定时器2来产生系统所需的定时中断。C8051F340和C8051F120的定时器 2寄存器配置略有不同，port．c中的static void prvSetupTimerInterrupt（void）函数修改后内容如下：
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　　Silicon Labs公司提供了一个集成开发环境（IDE），可方便地使用该IDE开发C8051F系列单片机程序。该IDE支持多种第三方编译工具，如Keil、 Raisonance、Tas-king、Hi-Tech、SDCC和IAR等，使用时只需安装对应的软件，然后设置编译器的安装路径和编译选项即可，如图1所示。本文只对涉及SDCC的选项进行说明。
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　　SDCC可从http：／／sdcc．sourceforge．net下载得到。本文使用的版本为sdcc-win32 2．8．0，具体安装方法和步骤参考sdccman．pdf手册。安装完后，在C8051F340平台上编译FreeRTOS的SDCC选项，如表2所列。
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　　3 在门禁系统中使用FreeRTOS
　　FreeRTOS移植完成后，成功地在开发的门禁系统中得到了应用验证。该门禁系统实现的功能主要有：实现刷ID卡开门，利用键盘输入住户号和密码开门，住户数据使用GPRS服务通信实现数据远程管理等。
　　硬件系统主要由C8051F340单片机、ID卡读卡模块、GPRS模块、键盘／显示模块和存储器模块等组成，系统结构如图3所示。
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　　系统软件上如果使用传统的前后台程序设计思路，则程序结构复杂，设计周期长，测试困难。使用实时操作系统，可将系统按功能和设备依赖性的原则划分为不同的任务，各个任务可以看作是并行执行，任务之间使用实时操作系统提供的API实现存储器互斥访问和其他资源的同步等，可以较好地满足该系统的需求。
　　根据系统的功能，建立3个任务：ID卡读卡处理任务、键盘／显示任务和GPRS数据通信处理任务。各个任务的功能如下：
　　①ID卡读卡处理任务vIdTask。ID卡读卡任务主要完成ID卡卡号的读取和识别等功能，优先级最高。
　　②键盘／显示任务vKeyDispTask。键盘／显示模块主要完成人机交互和日期的显示，错误信息的提示等，优先级次之。
　　③GPRS数据通信处理任务vG-PRSTask。GPRS数据通信任务主要完成与管理端GPRS模块的通信连接和GPRS协议数据的处理等，优先级最低。
　　另外，GPRS模块使用串行通信口与C8051F340通信，串口的接收程序采用中断服务程序，不受操作系统的管理。当收到对应的信息时，向 GPRS数据通信处理任务发送消息，GPRS数据通信处理任务再进行处理。建立的三个任务都有可能同时读写存储器，因此建立一个互斥信号量，当需要操作存储器时，先得到这个信号量，存储器操作完毕后再释放这个信号量。ID卡读卡处理任务的代码中互斥信号量的使用如下：
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　　系统主函数主要完成硬件初始化，建立信号量、任务和各个任务的启动等。部分代码实现如下：
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　　4 结论
　　使用SDCC编译器和 FreeRTOS操作系统等免费资源开发系统程序，能够减少工作量，降低开发成本，具有很大的优势。SDCC编译器应用灵活，配置方便，FreeRTOS 经过修改裁减后，代码精简，结构紧凑，适合于小型嵌入式系统应用。作者在门禁系统中应用得到成功的验证；但是SDCC和 FreeRTOS仍有许多缺点，如SDCC没有IDE，编译配置选项复杂，FreeRTOS提供的服务功能有限等。