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目录

1. 概述
2. 系统架构
3. 模块介绍
4. 编译方法
5. 使用方法
6. 使用场景
7. 设计架构
8. 示例程序

概述

UniProton是鸿蒙操作系统面向工业控制领域的轻量级实时操作系统(RTOS)，专为资源受限的嵌入式设备设计。作为鸿蒙生态的重要组成部分，UniProton提供了高效的实时任务调度、内存管理和IPC机制，满足工业控制场景对实时性和可靠性的严格要求。

基本信息

• 版本: 3.1.0
• 许可证: BSD 3-clause
• 资源占用: ROM约300KB，RAM约100KB
• 支持架构: ARMv7-M和ARMv8架构
• 适用系统: mini系统类型

系统架构

UniProton采用分层架构设计，从下到上分为硬件抽象层、内核层和系统服务层。

分层架构

┌─────────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ ├─────────────────────────────────────────┤ │ 系统服务层 │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │ 文件系统 │ │ 网络协议 │ │ 设备管理 │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ ├─────────────────────────────────────────┤ │ 内核层 │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │ 任务管理 │ │ 内存管理 │ │ IPC机制 │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │ 定时器 │ │ 中断管理 │ │ 错误处理 │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ ├─────────────────────────────────────────┤ │ 硬件抽象层 │ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │ │ CPU抽象 │ │ 中断抽象 │ │ 内存抽象 │ │ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ └─────────────────────────────────────────┘

模块介绍

UniProton内核由五大子系统构成，各子系统的职责如下：

1. Mem子系统

• 功能: 实现内存分区的创建，内存块的申请和释放等功能
• 算法: 采用FSC(First Fit with Segregation and Coalescing)内存管理算法
• 特点: 将内存划分为多个大小不同的分区，每个分区采用链表管理空闲内存块

2. Arch子系统

• 功能: 实现和芯片强相关的硬件特性功能，如硬中断、异常接管等
• 支持架构: ARMv7-M和ARMv8架构
• 抽象层: 提供CPU抽象、中断抽象和内存抽象

3. Kernel子系统

• 功能: 实现任务、软中断、TICK中断、软件定时器等功能
• 调度机制: 支持基于优先级的抢占式调度，同优先级任务采用时间片轮转算法
• 任务状态: 支持就绪态、运行态、阻塞态和挂起态四种状态

4. IPC子系统

• 功能: 实现事件、队列、信号量等进程间通信机制
• 通信方式: 提供信号量、事件、队列和互斥锁等多种IPC机制
• 应用场景: 满足不同应用场景下的进程间通信需求

5. OM子系统

• 功能: 实现cpup、hook等调测功能
• 监控能力: 提供CPU占用率统计、错误处理和钩子函数功能
• 运维支持: 帮助开发者进行系统监控和问题诊断

编译方法

环境要求

1. 操作系统: SUSE Linux Enterprise Server
2. Python: 3.4+
3. CMake: 3.20.5
4. 编译器:
   • ARMv7-M: GNU Arm Embedded Toolchain 10-2020-q4-major
   • ARMv8: gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-elf

编译步骤

方法一：Linux环境编译

1. 创建编译工具目录

   mkdir-p /opt/buildtools&&chmod-R755/opt/buildtools

2. 安装编译器

   # ARMv7-M编译器tar-xvf gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-x86_64-linux.tar.bz2 -C /opt/buildtools# ARMv8编译器tar-xvf gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-elf.tar.xz -C /opt/buildtools

3. 安装CMake

   tar-xvf cmake-3.20.5-Linux-x86_64.tar.gz -C /opt/buildtools

4. 下载代码

   gitclone https://gitee.com/openeuler/UniProton.git

5. 下载依赖库

   • 按照platform/README.md指导下载libboundscheck库

6. 执行编译

   cdUniProton python build.py m4# 编译ARMv7-M版本# 或python build.py armv8# 编译ARMv8版本

方法二：Docker环境编译

1. 拉取镜像

   docker pull swr.cn-north-4.myhuaweicloud.com/openeuler-embedded/uniproton:v002

2. 创建并进入容器

   docker run -it -v$(pwd):/home/uniproton swr.cn-north-4.myhuaweicloud.com/openeuler-embedded/uniproton:v002

3. 下载代码

   gitclone https://gitee.com/openeuler/UniProton.git

4. 下载依赖库

   • 按照platform/README.md指导下载libboundscheck库

5. 执行编译

   cdUniProton python build.py m4

编译结果

• 生成的静态库文件存放在output/UniProton/lib/cortex_m4目录下
• 生成的libboundscheck库文件存放在output/libboundscheck/lib/cortex_m4目录下

使用方法

基本开发流程

1. 准备开发环境

   • 安装交叉编译工具链
   • 配置CMake构建环境
   • 准备目标硬件平台

2. 创建应用项目

   • 参考demos/helloworld目录结构
   • 创建apps、bsp、build、config、include、libs等目录

3. 配置系统参数

   • 修改prt_config.c和prt_config.h文件
   • 根据需求裁剪功能模块

4. 编写应用代码

   • 实现PRT_AppInit函数，创建任务
   • 实现PRT_HardDrvInit函数，初始化硬件
   • 实现PRT_HardBootInit函数，进行系统初始化

5. 编译和链接

   • 编译应用代码
   • 链接UniProton静态库
   • 生成可执行文件

6. 烧录和调试

   • 将可执行文件烧录到目标硬件
   • 连接调试器进行调试

API接口使用

UniProton提供了丰富的API接口，主要包括：

1. 任务管理接口

   • PRT_TaskCreate: 创建任务
   • PRT_TaskResume: 恢复任务
   • PRT_TaskDelay: 任务延时
   • PRT_TaskDelete: 删除任务

2. 内存管理接口

   • PRT_MemAlloc: 分配内存
   • PRT_MemFree: 释放内存

3. IPC接口

   • PRT_SemCreate: 创建信号量
   • PRT_SemPend: 等待信号量
   • PRT_SemPost: 释放信号量
   • PRT_EventCreate: 创建事件
   • PRT_EventRead: 读取事件
   • PRT_EventWrite: 写入事件

使用场景

UniProton广泛应用于工业控制、物联网设备、智能家居、汽车电子等领域，特别适合对实时性要求高的场景：

1. 工业自动化控制系统

   • PLC控制器
   • 运动控制系统
   • 工业机器人控制

2. 物联网设备

   • 智能传感器网络
   • 边缘计算节点
   • 工业网关

3. 智能家居

   • 智能家电控制
   • 安防监控系统
   • 环境监测设备

4. 汽车电子

   • 车身控制模块
   • 发动机控制单元
   • 高级驾驶辅助系统

5. 实时数据采集系统

   • 数据采集终端
   • 信号处理设备
   • 仪器仪表

设计架构

代码目录结构

核心设计理念

1. 模块化设计

   • 各子系统独立设计，降低耦合度
   • 支持按需裁剪，减小系统体积
   • 清晰的接口定义，便于扩展和维护

2. 实时性保证

   • 抢占式任务调度，确保高优先级任务及时执行
   • 中断处理机制，快速响应外部事件
   • 精确的定时器管理，满足时间敏感型应用

3. 资源高效利用

   • 轻量级内核，最小资源占用
   • 高效的内存管理算法，减少内存碎片
   • 优化的数据结构，提高系统性能

4. 可靠性设计

   • 完善的错误处理机制
   • 内存保护机制，防止非法访问
   • 栈溢出检测，提高系统稳定性

示例程序

Hello World示例

以下是一个简单的Hello World示例程序，展示如何使用UniProton创建任务并输出信息：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<stdarg.h>#include"securec.h"#include"rtt_viewer.h"#include"prt_config.h"#include"prt_config_internal.h"#include"prt_clk.h"#include"test.h"voidhelloworld_task(U32 uwParam1,U32 uParam2,U32 uwParam3,U32 uwParam4){printf("hello world!\n");while(1){PRT_TaskDelay(10);}return;}U32PRT_AppInit(void){U32 ret;TskHandle taskPid;structTskInitParamstInitParam={helloworld_task,10,0,{0},0x500,"TaskA",0};ret=PRT_TaskCreate(&taskPid,&stInitParam);if(ret){returnret;}ret=PRT_TaskResume(taskPid);if(ret){returnret;}returnOS_OK;}U32PRT_HardDrvInit(void){RttViewerInit();RttViewerModeSet(0,RTT_VIEWER_MODE_BLOCK_IF_FIFO_FULL);returnOS_OK;}U32 g_testRandStackProtect;voidOsRandomSeedInit(void){#ifdefined(OS_OPTION_RND)U32 ret;U32 seed;seed=PRT_ClkGetCycleCount64();g_testRandStackProtect=rand_r(&seed);ret=PRT_SysSetRndNum(OS_SYS_RND_STACK_PROTECT,g_testRandStackProtect);#endif}voidOsGlobalDataInit(void){}voidPRT_HardBootInit(void){OsGlobalDataInit();OsRandomSeedInit();}U32PRT_Printf(constchar*format,...){va_list vaList;charbuff[0x200]={0};S32 count;U32 ret;va_start(vaList,format);count=vsprintf_s(buff,0x200,format,vaList);va_end(vaList);if(count==-1){returnOS_ERROR;}RttViewerWrite(0,buff,count);returncount;}S32main(void){returnOsConfigStart();}

编译和运行

1. 将上述代码保存为main.c文件，放在demos/helloworld/apps目录下
2. 按照编译方法中的步骤编译项目
3. 将生成的可执行文件烧录到目标硬件
4. 连接调试器，可以看到输出"hello world!"

总结

UniProton作为鸿蒙操作系统面向工业控制领域的轻量级实时操作系统，具有实时性强、可靠性高、资源占用少、模块化程度高等特点，广泛应用于工业控制、物联网设备、智能家居、汽车电子等领域。通过本文档的介绍，开发者可以了解UniProton的系统架构、模块功能、编译方法、使用方法和设计理念，为基于UniProton的应用开发提供指导。