鸿蒙UniProton操作系统编译开发指导

鸿蒙小白龙2025-12-21 11:16

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

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────┐
│              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

    bash 复制代码 
    mkdir -p /opt/buildtools && chmod -R 755 /opt/buildtools

  2. 安装编译器

    bash 复制代码 
    # 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

    bash 复制代码 
    tar -xvf cmake-3.20.5-Linux-x86_64.tar.gz -C /opt/buildtools

  4. 下载代码

    bash 复制代码 
    git clone 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

    bash 复制代码 
    cd UniProton
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

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

  2. 创建并进入容器

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

  3. 下载代码

    bash 复制代码 
    git clone 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

    bash 复制代码 
    cd UniProton
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

一级目录 二级目录 三级目录 说明
build uniproton_ci_lib 编译框架的公共脚本
uniproton_config config_m4 cortex_m4芯片的功能宏配置文件
cmake common build_auxiliary_script 转换Kconfig文件为buildef.h脚本
functions cmake的公共功能函数
tool_chain 编译器和编译选项配置文件
demos helloworld apps 示例程序的main函数文件以及业务代码
bsp 板级驱动适配代码
build demo构建及链接脚本
config 用户配置文件，功能宏定制头文件
include src/include/uapi及posix目录下头文件拷贝目录
libs 源码编译静态库文件存放目录
Hi3093 Hi3093芯片示例
RASPI4 树莓派4B示例
doc 项目配置、规范、协议等文档
design UniProton系统架构和特性说明
platform libboundscheck使用说明
libboundscheck libboundscheck预留目录，用户将下载的源码放在此目录下
src arch cpu cpu对应架构的功能适配代码
include cpu对应架构的头文件
config 用户main函数入口
config 用户配置功能宏开关
core ipc 事件、队列、信号量等功能
kernel 任务、中断、异常、软件定时器等功能
fs littlefs littlefs适配层代码，不包含完整littlefs代码
vfs 文件系统vfs层接口代码
include uapi 对外头文件
posix posix接口头文件
mem 内存管理基本功能
fsc 内存管理FSC算法代码
include 内存管理头文件
net lwip-2.1 lwip适配层代码，不包含完整lwip代码
om cpup cpu占用率统计功能
err 错误处理功能
hook 钩子函数功能
include 系统管理头文件
osal posix posix功能实现源码
security rnd 随机化功能
utility lib 公共库函数

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：

c 复制代码 
#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"

void helloworld_task(U32 uwParam1, U32 uParam2, U32 uwParam3, U32 uwParam4)
{
    printf("hello world!\n");
    while (1) {
        PRT_TaskDelay(10);
    }

    return;
}

U32 PRT_AppInit(void)
{
    U32 ret;
    TskHandle taskPid;
    struct TskInitParam stInitParam = {helloworld_task, 10, 0, {0}, 0x500, "TaskA", 0};

    ret = PRT_TaskCreate(&taskPid, &stInitParam);
    if (ret) {
        return ret;
    }

    ret = PRT_TaskResume(taskPid);
    if (ret) {
        return ret;
    }

    return OS_OK;
}

U32 PRT_HardDrvInit(void)
{
    RttViewerInit();
    RttViewerModeSet(0, RTT_VIEWER_MODE_BLOCK_IF_FIFO_FULL);

    return OS_OK;
}

U32 g_testRandStackProtect;
void OsRandomSeedInit(void)
{
#if defined(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
}

void OsGlobalDataInit(void)
{
}

void PRT_HardBootInit(void)
{
    OsGlobalDataInit();
    OsRandomSeedInit();
}

U32 PRT_Printf(const char *format, ...)
{
    va_list vaList;
    char buff[0x200] = { 0 };
    S32 count;
    U32 ret;

    va_start(vaList, format);
    count = vsprintf_s(buff, 0x200, format, vaList);
    va_end(vaList);

    if (count == -1) {
        return OS_ERROR;
    }

    RttViewerWrite(0, buff, count);

    return count;
}

S32 main(void)
{
    return OsConfigStart();
}

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。

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