Sistema operativo real time e librerie applicative per sistemi embedded

Licursi David INTRODUZIONE  
 
 
 
V 
L’acquirente medio di questo tipo di prodotto si aspetta di poterlo inserire nel proprio sistema e di realizzare la 
propria applicazione con notevole risparmio di tempo rispetto allo sviluppo integrale di hardware e software e, 
elemento non meno importante, senza necessitare di approfondite conoscenze hardware. Proprio per questo 
motivo il prodotto andava accompagnato da software e manualistica quanto più completi possibile.  
Ho dapprima analizzato le librerie sviluppate dall’azienda e riportate anch’esse in appendice: 
 
§  DEFS.H Contiene le definizioni dei tipi di dati e le macro di manipolazione dei bit. 
§  H83003.H Contiene le definizioni dei registri dell’Hitachi H8/3003. 
§  ECS8B.H Contiene le definizioni ed i prototipi di funzioni per il modulo ECS8B. 
§  ECS8B.C Contiene Startup e le librerie di funzioni per il modulo ECS8B. 
 
Successivamente ho curato lo sviluppo in linguaggio C di un sistema operativo real time e di due librerie di 
funzioni che consentono, grazie all’utilizzo di un display LCD e di una tastiera a matrice, la realizzazione di 
applicazioni custom. Normalmente infatti lo sviluppatore si trova a dover gestire almeno una tastiera ed un 
display per la realizzazione di qualsiasi sistema in cui l’operatore possa interagire con il controllo. Vale la pena 
dunque realizzare delle librerie di funzioni riutilizzabili per qualsiasi target application. Più sofisticata invece la 
necessità di un sistema operativo, le cui caratteristiche condizionano pesantemente le prestazioni di un sistema. 
Soddisfacendo le esigenze di timing del sistema in cui opera, un sistema operativo real time (RTOS) consente la 
realizzazione di un ampio ventaglio di applicazioni sensibili alla tempestività ed alla deterministicità della 
risposta così comuni nelle automazioni industriali e nei sistemi automotive ad esempio.  
Grazie al software prodotto, lo sviluppatore ha visibilità sul sistema solo limitatamente ad un ristretto numero di 
funzioni. L’applicazione custom sarà dunque costituita al minimo da un main() in cui l’algoritmo 
dell’applicazione si avvale delle funzioni contenute nelle librerie del modulo tastiera e display per interfacciarsi 
con l’hardware: 
 
Tas t iera a  
matrice 
Sistema Operativo 
Display 
LCD 
 
Applicazione custom 
Modulo 
Tastiera a 
matrice 
 
(libreria funzioni) 
Algoritmo 
applicazione 
Modulo 
Di splay 
LCD 
 
(libreria funzioni) 
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VI 
L’implementazione di un applicativo sull’hardware del microcomputer ECS8B si riduce così a poco più di una 
mera sequenza di chiamate alle seguenti funzioni: 
 
Interfaccia applicazione 
Disply LCD 
Kernel Interfaccia applicazione 
Tastiera a matrice 
DispInit() 
DispDefChar() 
DispClrScr() 
DispClrLine() 
DispStr() 
DispChar() 
DispHorBarInit() 
DispHorBar() 
OSInit() 
OSIntEnter() 
OSIntExit() 
OSMboxCreate() 
OSMboxPend() 
OSMboxPost() 
OSQCreate() 
OSQPend() 
OSQPost() 
OSSemCreate() 
OSSemPend() 
OSSemPost() 
OSSchedLock() 
OSSchedUnlock() 
OSStart() 
OSTaskChangePrio() 
OSTaskCreate() 
OSTaskDel() 
OSTimeDly() 
OSTimeGet() 
OSTimeSet() 
OSTimeTick() 
 
KeyInit() 
KeyGetKey() 
KeyHit() 
KeyFlush() 
KeyGetKeyDownTime() 
 
Per la stesura del codice si è utilizzato il tool di sviluppo CodeMaker 1.0.2 prodotto da SofTec stessa. Tale 
software integra, in ambiente Microsoft Windows, un editor di testi ed un compilatore C GNU ed è 
specificamente orientato alla compilazione di codice per la famiglia Hitachi H8/300. Il codice qui sviluppato è 
stato adattato alla scheda ECS8B equipaggiata con Hitachi H8/3003 ma, grazie all’esiguità del codice redatto in 
assembly, può essere portato abbastanza agevolmente su qualsiasi altro hardware embedded e proprio a questo 
fine è stato elaborato.  
Nulla vieta l’utilizzo del codice C anche sulle logiche ad architettura PC che tanto si sono diffuse durante questi 
mesi di sviluppo. E’ vero infatti che, grazie allo sviluppo tecnologico, l’hardware qui supportato non è 
assolutamente più da considerarsi allo stato dell’arte in quanto non dotato di quegli standard “de iure” affermatisi 
nel caotico mare degli standard “de facto”. 
La tesi si articola nelle seguenti sezioni: 
 
Sistemi embedded Introduzione ai sistemi embedded, definizione e campi applicativi. Stato dell’arte delle 
architetture embedded e panoramica sugli standard hardware e di sistema affermatisi in 
questi anni. Architetture software adottabili per la realizzazione di un’applicazione e 
generalità sui sistemi operativi orientati alle logiche embedded. Windows CE e Linux 
come scelte per il futuro. 
 
Sistema Operativo Descrizione del Sistema Operativo real time e di tutte le sue funzionalità. Struttura del 
kernel ed amministrazione dei tasks, gestione degli interruptus e strutture software per la 
comunicazione e sincronizzazione tra i processi. Essendo il kernel portabile su altri 
hardware, si affrontano i dettagli di inizializzazione e configurazione. 
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VII 
 
Moduli software Due potenti librerie per interfacciare un microcomputer embedded con una tastiera a 
matrice ed un display LCD. Essendo estremamente portabili, si affrontano, oltre alle 
funzioni di interfaccia, generalità sull’hardware, problematiche tipiche, e macro di 
configurazione.  
 
Seguono infine in appendice le informazioni tecniche più approfondite sull’hardware ed i listati completi redatti 
in linguaggio C o in assembly. 
 
Grazie a questo software, ora un acquirente del microcomputer ECS8B basato su Hitachi H8 può contare su un 
sistema operativo multitasking real time completamente preemptive e su due librerie di funzioni che gli 
consentono la gestione, in maniera del tutto trasparente dal punto di vista hardware, delle periferiche più comuni 
per un sistema interattivo: una tastiera ed un display. Con questi strumenti a disposizione si può realizzare in 
poche ore un’applicazione dalle brillanti prestazioni e di facile ottimizzazione, senza contare i benefici apportati 
in termini di leggibilità del software, che diventa dunque di assai facile manutenzione. 
 
 
Licursi David   
 
 
 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
SEZIONE I 
 
SISTEMI EMBEDDED 
Licursi David SISTEMI EMBEDDED  
 
 
 
2 
1 SISTEMI EMBEDDED 
 
 
Una logica viene detta embedded ogniqualvolta essa non venga vista direttamente dall’utente come un computer, 
ma sia inserita in un sistema atto a svolgere una peculiare, e non per questo elementare, funzione. Di dimensioni 
contenute e di potenze assai variabili secondo le necessità, i sistemi embedded vengono implementati in una 
moltitudine di applicazioni: 
 
 
 
 
I dispositivi embedded, per loro stessa natura, non dispongono di un’interfaccia grafica oppure ne integrano una 
con funzionalità alquanto limitate. Tale situazione era accettabile fino a quando tali sistemi erano destinati a 
Controlli di processo 
Automazione 
industriale 
Automotive 
Office automation 
Periferiche per 
computers 
Robotica 
Sistemi 
embedded 
Domotica 
Sistemi ant ibloccaggio 
Controllo motori 
Airbags 
Fax 
Fotocopiatrici 
Stampanti 
Modems 
Elettrodomestici 
Ant i fur t i 
Cronotermostati 
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3 
svolgere un limitato numero di compiti ma, ora che i sistemi 
embedded vengono destinati allo svolgimento di compiti 
sempre più complessi, è sempre più evidente la necessità di 
rendere disponibile una GUI (Graphical User Interface) 
interattiva e funzionale. A differenza di quanto accade nel 
mondo PC, dove le interfacce utente forniscono tutte le 
stesse funzionalità, nel mondo embedded è necessario 
realizzare interfacce ad hoc, ovvero studiate per un 
particolare dispositivo e applicazione. Dunque le GUI dei 
sistemi embedded sono una diversa dall’altra ed integrano 
tutte e sole le funzionalità richieste dalla specifica 
applicazione. 
Una logica embedded, cioè compatta, può essere realizzata a 
partire da un microprocessore e quindi seguire il più delle 
volte un’architettura PC, oppure attorno ad un 
microcontrollore. Un microcrocontrollore può essere definito 
come l’unione di un nucleo simile a quello di un 
microprocessore con un certo numero di unità funzionali di 
due differenti tipologie: quelle di supporto all’attività interna 
e quelle che consentono il collegamento con le periferiche esterne. Tali funzioni aggiuntive non sono 
normalmente presenti in un microprocessore. L’idea è quella di rendere il microcontrollore un’unità il più 
possibile completa e autonoma, al punto di poter gestire senza bisogno di interfacce molti dispositivi periferici. 
Ciò contribuisce ancor più alla compattezza di hardware che normalmente deve fare i conti con spazi angusti, 
vibrazioni ed alte temperature di esercizio più che necessitare di prestazioni estreme. 
Sebbene il settore dei microprocessori sia 
prepotentemente proiettato verso la rincorsa di 
architetture ultra veloci e ad elevato grado di 
parallelismo, nel settore dei microcontrollori non 
succede necessariamente la stessa cosa. Infatti, mentre 
ad esempio nei personal computers sono stati da 
parecchi anni abbandonati i processori a 16 bit e si operi 
oggi con architetture a 32 e a 64 bit, nei controlli 
industriali o nell’ambito consumer una consistente fetta 
del mercato dei microcontrollori è tuttora dominata 
dalle architetture a 8 bit o 32 bit. Pochi sono i controller 
a 32 bit, alcuni dei quali in architettura RISC o 
integranti funzioni di Digital Signal Processing. Il 
motivo di ciò va ricercato sostanzialmente nel fatto che i 
sistemi embedded sono delle architetture ottimizzate per 
le applicazioni di controllo, per le quali non richiedono 
un’elevata velocità di calcolo né tanto meno necessitano 
di grande potenza di elaborazione, al contrario dei 
microprocessori i quali devono tipicamente gestire 
un’elevata quantità di dati e corpose modalità grafiche. 
Esistono tuttavia molte applicazioni nelle quali è 
Licursi David SISTEMI EMBEDDED  
 
 
 
4 
U205 
RAM 32Kx8 
U204 
RAM 128Kx8 
U203 
FLASH 128/512Kx8 
J401 
Function Pack Connector 
Hitachi H8/3003 
U501 
8 D flip-flps array 
J501 
LCD 
Connector 
J502 
Keyboard 
Connector 
U502 
8 D flip-flps array 
Rows 
U503 
3-state bus 
Transceiver 
Columns 
J402  
Serial 0 
J403  
Serial 1 
U402 
RS 232 
Dual 
Driver 
U202  
Voltage Supervisor 
U304 
Power Switching Regulator 
U201 
Serial EEPROM 64x16 
U702 
6 Schmitt Trigger array 
U601 
8 Darlington array 
U602 
8 Darlington array 
J404  
RS 485 
U403 
RS485 
transceiver 
U703 
6 Schmitt Trigger array 
U701 
6 Schmitt Trigger array 
J601 
I/O  
Connector 
U303 
3-state bus 
Transceiver 
A
d
d
r
e
s
s
 
B
U
S 
D
a
t
a
 
B
U
S
 
necessaria un’elevata velocità di calcolo, come ad esempio nel controllo dei sistemi integrati in un autoveicolo o 
comunque in apparecchiature o sistemi ad elevata complessità.  
L’hardware sviluppato da SofTec è si un archetipo degli attuali presenti sul mercato, spesso più simili ad un 
piccolo PC che ad una logica integrata, ma è emblematicamente rappresentativo di un sistema embedded. Come 
visibile in figura, al microcontrollore Hitachi H8/3003 sono affiancate funzionalità che consentono al prodotto 
un ampio ventaglio di applicazioni: