引言

MCS51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HiTech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MCS51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ANSIC编译器。当前版本的目标CPU是Intel公司的MCS51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C8051F340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。FreeRTOS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。

表1 C8051F120和C8051F340的硬件资源比较

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 KB RAM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C8051F120 CPU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。修改的文件有FreeRTOSDemoCygnalFreeRTOSConfig.h和FreeRTOSSourceportableSDCCCygnalport.c。

FreeRTOSConfig.h修改后的文件主要内容如下：

/*包含在SDCC中的C8051F340头文件*/

#include "c8051f340.h"

/* CPU晶振频率，时钟滴答数等 */

#define configCPU_CLOCK_HZ （（ unsigned portLONG）12000000）

#define configTICK_RATE_HZ （（ portTickType ）100 ）

#define configMAX_PRIORITIES （（ unsigned portBASE_TYPE ）4 ）

#define configMINIMAL_STACK_SIZE

（（unsigned port

SHORT）200（unsigned portSHORT）configSTACK_START）

/*RAM使用修改为3×1024 */

#define configTOTAL_HEAP_SIZE （（size_t）（3 * 1024））

/*FreeRTOS系统函数配置，1为使用这个功能，0则不使用*/

#define INCLUDE_vTaskPrioritySet 0

#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet 0

#define INCLUDE_vTaskDelete 0

#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources 0

#define INCLUDE_vTaskSuspend0

#define INCLUDE_vTaskDelayUntil 0

#define INCLUDE_vTaskDelay 1

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：

static void prvSetupTimerInterrupt（void） {

const unsigned portLONG ulTicksPerSecond = configCPU_CLOCK_HZ / portCLOCK_DIVISOR;

const unsigned portLONG ulCaptureTime = ulTicksPerSecond / configTICK_RATE_HZ;

const unsigned portLONG ulCaptureValue = portMAX_TIMER_VALUE ulCaptureTime;

const unsigned portCHAR ucLowCaptureByte=（unsigned portCHAR ） （ ulCaptureValue & （ unsigned portLONG ） 0xff ）;

const unsigned portCHAR ucHighCaptureByte=（unsigned portCHAR ） （ ulCaptureValue >> （ unsigned portLONG ） 8）;

/*定时器2计数器初始值*/

TMR2RLL = ucLowCaptureByte;

TMR2RLH = ucHighCaptureByte;

/*

定时器2计数器重装值*/

TMR2L = ucLowCaptureByte;

TMR2H = ucHighCaptureByte;

/*使能定时器2中断*/

IE |= portTIMER_2_INTERRUPT_ENABLE;

/*启动定时器2*/

TMR2CN = portENABLE_TIMER;

}

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、Tasking、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。

图1 Silicon Labs的集成开发环境编译器设置方式

SDCC可从http://sdcc.sourceforge.net下载得到。本文使用的版本为sdccwin32 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。

表2 C8051F340平台上编译FreeRTOS的SDCC选项

Assembler 、Compiler和Linker选项的功能主要是： 指定编译时的编译模式、堆栈设定方式、函数库的编译模式、单片机XRAM大小，指定包含头文件路径等。

另外需要注意的是，SDCC在Windows操作系统上默认安装文件中不包含大模式下的库，需要重新利用SDCC的源码编译得到，然后在SDCC的安装目录下建立/lib/largestackauto目录，将编译生成的库文件添加到此。有关SDCC的安装和相关编译选项的详细信息，请参考SDCC的说明手册。

编译环境设置完毕后，将FreeRTOS源码包中croutine.c、list.c、queue.c、tasks.c和新建的文件main.c添加到IDE中，并进行编译。如果没有警告和错误提示，表明编译成功，可在IDE的Out put window中看到编译的输出信息，如图2所示。

图2 在Silicon Labs IDE中使用SDCC调试FreeRTOS

编译成功后，即可将目标代码下载到单片机中调试运行。调试时需注意，一定要先关闭C8051F340的内部看门狗，否则单片机上电后未执行到main（）函数之前，看门狗定时器便溢出，使得单片机复位导致调试无法进行下去。解决方法是编写一个函数_sdcc_external_startup（）并添加关闭看门狗的代码，SDCC编译器编译后，单片机上电后会首先执行这个函数，关掉看门狗。添加的_sdcc_external_startup（）代码如下：

void _sdcc_external_startup （void） {

PCA0MD &= ~0x40;

/*关闭C8051F340的内部看门狗*/

}

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。

图3 门禁系统主要硬件组成

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：

① ID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。

③ GPRS数据通信处理任务 vGPRSTask。

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：

void vIdTask（ void *pvParameters ） {

……

while（1） {

/*如果检测到ID卡*/

if（ detect_id（）==TRUE ） {

……

if（xSemaphoreTake（xSemaphore,50）==pdTRUE） {

/*如果得到存储器操作的互斥信号量，则处理*/

id_card_process（）;

/*操作完毕释放存储器信号量*/

xSemaphoreGive（ xSemaphore ）;

}

else {

/*没有得到存储器操作的互斥信号量*/

……

}

}

vTaskDelay（3）;

}

}

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：

xSemaphoreHandle xMemMutSem;//存储器操作的互斥信号量

void main（ void ） {

hardware_init（）;/*硬件初始化*/

misc_init（）;/*其他初始化*/

SIM300C_init（）; /*GPRS模块初始化*/

……/*建立存储器操作的互斥信号量等*/

xMemMutSem=xSemaphoreCreateMutex（）;

/*建立任务*/

xTaskCreate（vIdTask,"IdTask",100,NULL,3,NULL）;

xTaskCreate（vKeyDispTask,"KeyDisp",150,NULL,2,NULL）;

xTaskCreate（vGPRSTask,"GPRSTask",300,NULL,1,NULL）;

/*启动任务*/

vTaskStartScheduler（）;

}

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。