中国移动oneos框架基础及其组件解析
<关键字> 中国移动oneos 、开发环境 、开机自启动、 shell 、单元测试、 源码分析
1、oneos系统
1.1 开发手册
OneOS是中国移动针对物联网领域推出的轻量级操作系统，具有可裁剪、跨平台、低功耗、高安全等特点，支持ARM Cortex-M、MIPS、RISC-V等主流芯片架构，兼容POSIX、CMSIS等标准接口，支持MicroPython语言开发，提供图形化开发工具，能够有效提升开发效率并降低开发成本，集成公共组件，适用于安全易用的物联网产品。
移动官网提供完善的oneos开发文档 https://os.iot.10086.cn/v2/doc/homePage
也可参考RT-Thread的资料，https://www.rt-thread.org/document/site/#/
1.2 开发工具
OneOS开发环境是基于命令行的OneOS-Cube，在对应工程目录下，执行menuconfig配置系统，scons编译构造。具体操作说明：https://os.iot.10086.cn/v2/doc/detailPage/documentHtml?idss=157071776529260544&proId=156799478777782272
1.3 软件框架
OneOS总体架构采用分层设计，主体由驱动、内核、组件、安全框架组成，采用一个轻量级内核加多个系统组件的模式。
与freeRTOS只包括内核相比，oneos支持通用组件或第三方库，尤其对接移动平台方便，遵循 Apache 2.0 license 开源协议，任意使用。
1.4 内核
Oneos内核提供任务管理调度、任务间同步与通信、定时器、内存管理等常用RTOS功能，与常规的RTOS如freeRTOS相比，仅有几点小区别：
1、任务，创建task后需要额外调用才启动，不同于freeRTOS创建所有的task后统一启动调度，全部task都开始执行。这种各task独立启动的，需要注意先后关系，不能task1启动后就向task2的队列发消息，此时队列可能为NULL且发送前没有判断，会导致重启。
2、消息队列，其动态创建和发送接口类似，但接收队列消息需要传入的参数不同，需要传入期望接收的字节大小。巧合的是项目使用的消息队列都是同一个结构体，如果不一致，需要特殊处理。
3、工作队列，将task进行了一定封装，不需要为处理某个事件而新建task，交给系统提前创建的task统一执行，执行结束后触发回调函数，这样多个长时间运行但不经常触发的，可以交给工作队列处理，该功能在UIS8910中系统自带。
4、邮箱，Oneos特有的，可理解为简化版的消息队列。
关于freeRTOS基础可以参考FreeRTOS基础及其应用 (入门简化版)。
1.5 组件
正如前面提到，如何使用oneos，移动官网有详细的说明，本文只是介绍oneos的基本开发流程，分析其部分功能的实现方式，后续以其设备框架、SHELL和单元测试三部分为主。
2、系统移植
2.1 开发流程
基于oneos的开发方式和以往不同，先将原始工程编译生成库，全部复制到oneos工程，再基于oneos系统开发业务逻辑，其开发环境和原始工程开发环境无关。Oneos工程编译生成的bin文件下载到设备，完整版本支持microPython，可以导入python文件直接运行。
可能部分功能比较特殊，使用原始库文件无法实现，例如获取系统某个参数。
在原始工程开发，可以直接将客制化代码插入某个接口拦截，基于oneos开发时尽量避免，但是实在不行也只能这样。这样操作后，原始工程编译成功，但链接肯定失败，但不影响结果，只要输出lib库即可。
2.2 操作系统适配
如果没有原始SDK，要运行oneos，直接将原始库，例如STM32原厂HAL库复制到oneos/thirdparty即可；但是有基础SDK，且SDK是基于其它RTOS开发，则其库要在oneos运行，需要进行适配转换，存在两种方式。
以目前支持cat1网络比较火的两个芯片平台为例。
紫光展锐UIS8910平台使用freeRTOS，且基本开源，因此可以将UIS8910工程中的freeRTOS系统接口，其函数内容替换使用oneos的接口实现。
翱捷ASR1603平台使用threadX，且已封库，因此是在oneos工程，将oneos的系统内核接口函数内容使用ASR1603提供的库实现。
前者UIS8910是oneos直接在底层替换了freeRTOS，相当于只运行了一套较为干净的oneos；后者完全是将两套RTOS的接口互相匹配，且中间并不是一对一替换。
2.3 风险与限制
原始工程开发函数是直接调用，引入oneos框架后，内核适配、驱动框架增加了代码量，运行效率也存在一定损失。
对网络modem相关的操作，oneos使用AT通信，其阻塞方式对原有应用逻辑存在较大影响，不如原始API便捷。
3、系统组件
3.1 编译器关键字
重点介绍section关键字，后续章节都与其有关，section主要作用是将函数或者变量放在指定段中，可在指定的地方取函数执行。
//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;
}
编译生成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.o
0x00401460 test
0x0040146a 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 test1
0x0040400d 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.o
0x00406000 chengi
0x00406004 chengj[!provide] PROVIDE (___stop_my_val, .)
.rdata 0x00407000 0x400
分析可见，使用section修饰的函数和变量在自定义的片段，而且是连续存放，这样可根据变量的地址得出与其同段变量的地址，为后续自动初始化等功能提供了基础。
3.2 自动初始化
基于前面section的作用，可以将同类函数指针全部使用同一个段名修饰，然后开机后系统自动检索段内函数指针，逐个执行，对上层应用就是无需主动调用，系统自动初始化。考虑到硬件初始化与应用功能初始化的先后顺序，可以对段名进行分配，map文件按段名排序。自动初始化主体是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初始化函数，定义如下：
OS_APP_INIT(sh_system_init);
将宏定义展开
/* 含义是函数指针 __os_call_sh_system_init
* 其指向sh_system_init函数，且该指针编译后放在".init_call.6"段
*/
const os_init_fn_t __os_call_sh_system_init
__attribute__((section((".init_call.6")))) = sh_system_init
系统自身也有自定义函数，用来标记起止点函数
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");
最终生成的map文件如下图：
//系统底层在合适的时机调用如下两函数，将指定段区间内的所有函数自动执行
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;
}
系统执行os_other_auto_init时实现了sh_system_init的自动执行，即使应用层没有显示的去调用它。使用符号段的方式实现初始化函数自动执行，应用层修改软件，增加功能启动或者裁剪，对底层代码无需任何改动。
3.3 设备框架
3.3.1 设备模型
一般HAL包括GPIO、UART、ADC等，每个设备节点的类型和控制接口、参数个数及含义完全不同，即使都是GPIO，不同原厂提供的接口也各不相同。设备框架就是在底层封装原始API，然后统一注册到设备节点表，使用时获取节点及其对应的操作接口，这样应用层的代码在风格上比较统一。
应用层需要操作设备时，根据名称查找设备，再使用该提供的API进行操作，无需关注该设备具体对应的端口、状态等细节信息；其风格与linux驱动接近。
3.3.2 设备注册
以I2C设备为例：
#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,
};
所有的设备信息存在device_table段，只是分配设备驱动类型和名称。
OS_DRIVER_INFO asr1603_i2c_driver = {
.name = "ASR1603_I2C_DRIVER",
.probe = asr1603_i2c_probe, //I2C设备初始化和注册
};
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即为前面提到的开机自启动定义宏
开机后自动执行_asr1603_i2c_driver_driver__init，也就是自动将device_table段设备对应的驱动程序asr1603_i2c_probe自动执行，实现了所有设备的初始化，
static int asr1603_i2c_probe(const os_driver_info_t *drv, const os_device_in
fo_t *dev)
{
...
//所有的 I2C 设备（一种设备有多个）进行初始化
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; //底层操作 I2C 的接口，与实际硬件绑定
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将I2C设备注册到系统设备列表os_device_list，包括其对外接口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);
};
所有设备对外提供接口都类似，部分不支持的为NULL，风格和linux设备驱动一致，这些接口是封装前面i2c_bus_ops提供的硬件特有驱动，这样完成了I2C设备框架与硬件驱动绑定以及自动初始化。
3.3.3 框架应用
应用层使用I2C设备：
os_device_find("i2c1");
获取成功后，正常流程是使用i2c_ops提供的接口操作设备，实际调用也基于i2c_bus_ops封装的接口，可见oneos也不太标准；最佳操作可以参考UART的用法。
3.4 模组连接套件
模组连接套件 Molink (Module link kit)，设备通过AT与网络模组交互的接口，内置基带的使用虚拟AT通道。
Molink对单片机加模组的方案非常合适，对内置基带的芯片，反而影响效率，因为其AT是阻塞方式实现，例如扫描周围wifi热点，会导致当前task阻塞几秒钟，这样处理只是为统一API接口，实现MCU+模组和内置基带两种硬件方案的应用代码无缝迁移。
名称高大上，其实就是开机初始化一个大数组，在module_asr1603_create()，不同作用的AT分类，封装AT收发、解析接口。
使用mo-link先获取数组中对应项，使用其支持的API操作AT指令，以阻塞方式运行。对于ASR1603内置基带的，socket没有使用AT方式，而是LWIP接口，这种效率高。
3.5 Shell工具
和linux中shell类似，以命令行触发函数运行，在shell控制口，默认是
OS_CONSOLE_DEVICE_NAME
输入命令，shell task会解析并自动扫描内部函数表，执行函数后输出回应，将结果显示在控制终端上。
Shell对软件调试非常方便，例如调试I2C接口，只需定义：
SH_CMD_EXPORT(test, test_i2c, "test i2c api");
开机后串口输入test字符串，设备即运行test_i2c()函数，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宏将前面i2c提供的参数转换，在FsymTab段创建一个名为__fsym___cmd_test的结构体，其3个成员分别是字符名，描述和函数体。
OS_APP_INIT(sh_system_init);
开机自启动sh_system_init，创建gs_shell_task任务，接收shell控制口的字符数据，满足一定条件后进入sh_exec，搜索FsymTab段区间变量名，sh_get_cmd_func找到对应函数再执行。
shell工具便于调试，调试复杂功能注意栈空间；但其在数据安全方面存在较大隐患，且占用独立的task和串口，浪费硬件资源，正式发布的软件务必关闭。
3.6 单元测试
类比assert的作用，判断条件为假时触发异常，单元测试与其类似，统计判断结果导致报告。OneOS 开发的单元测试框架atest（and test），和网上开源的差不多。
#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 \
};
其原理就是软件自动执行某一段代码，将运行结果和期望值进行比较并统计，对软件质量的检测效果，取决于单元测试用例的设计水平。该功能与平台无关，适用于新平台首次使用时测试API。
4、 Python开发
基于前面shell的原理，可以按输入的字符串执行与之绑定的函数，如果对字符串进行一定的规则定义，支持自动解析执行，即可实现函数按提供的文本执行。这套文本规则就是python语法，解析器就是MicroPython内核，这样就能实现在嵌入式平台使用python开发。
MicroPython对软件进行天然的分层，严格区驱动层和应用层，实现应用软件的跨平台移植。Oneos集成的就是开源的MicroPython，其源码下载地址是：https://github.com/micropython/micropython
OneOS-MicroPython开发环境：VsCode+NODE+Pymakr
其中.mpy文件混淆加密的工具在MicroPython源码mpy-cross中自行编译。
短期内Python不会作为嵌入式主要开发语言，但掌握其基础也有一定作用。