uC/OS-II實時操作系統(tǒng)在嵌入式平臺上進行移植的一般方法和技巧

引言

---實時操作系統(tǒng)的使用，能夠簡化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護和二次開發(fā)。

μC/OS-II是一個基于搶占式的實時多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性，除此以外，μC/OS-II的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

在μC/OS-II官方的主頁上可以查找到一個比較全面的移植范例列表。但是，在實際的開發(fā)項目中，仍然沒有針對項目所采用芯片或開發(fā)工具的合適版本。那么，不妨自己根據(jù)需要進行移植。

本文則以在TMS320C6711 DSP上的移植過程為例，分析了μC/OS-II在嵌入式開發(fā)平臺上進行移植的一般方法和技巧。μC/OS-II移植的基本步驟

在選定了系統(tǒng)平臺和開發(fā)工具之后，進行μC/OS-II的移植工作，一般需要遵循以下的幾個步驟：

● 深入了解所采用的系統(tǒng)核心
● 分析所采用的C語言開發(fā)工具的特點
● 編寫移植代碼
● 進行移植的測試
● 針對項目的開發(fā)平臺，封裝服務(wù)函數(shù)
（類似80x86版本的PC.C和PC.H）

系統(tǒng)核心

無論項目所采用的系統(tǒng)核心是MCU、DSP、MPU，進行μC/OS-II的移植時，所需要關(guān)注的細節(jié)都是相近的。

首先，是芯片的中斷處理機制，如何開啟、屏蔽中斷，可否保存前一次中斷狀態(tài)等。還有，芯片是否有軟中斷或是陷阱指令，又是如何觸發(fā)的。

此外，還需關(guān)注系統(tǒng)對于存儲器的使用機制，諸如內(nèi)存的地址空間，堆棧的增長方向，有無批量壓棧的指令等。

在本例中，使用的是TMS320C6711 DSP。這是TI公司6000系列中的一款浮點型號，由于其時鐘頻率非常高，且采用了超常指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)、類RISC指令集、多級流水等技術(shù)，所以運算性能相當(dāng)強大，在通信設(shè)備、圖像處理、醫(yī)療儀器等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

在C6711中，中斷有3種類型，即復(fù)位、不可屏蔽中斷（NMI）和可屏蔽中斷（INT4-INT15）。可屏蔽中斷由CSR寄存器控制全局使能，此外也可用IER寄存器分別置位使能。而在C6711中并沒有軟中斷機制，所以μC/OS-II的任務(wù)切換需要編寫一個專門的函數(shù)實現(xiàn)。

此外，C6711也沒有專門的中斷返回指令、批量壓棧指令，所以相應(yīng)的任務(wù)切換代碼均需編程完成。由于采用了類RISC核心，C6711的內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，只有A0-A15和B0-B15這兩組32bit的通用寄存器。 

C語言開發(fā)工具

無論所使用的系統(tǒng)核心是什么，C語言開發(fā)工具對于μC/OS-II是必不可少的。
最簡單的信息可以從開發(fā)工具的手冊中查找，比如：C語言各種數(shù)據(jù)類型分別編譯為多少字節(jié)；是否支持嵌入式匯編，格式要求怎樣；是否支持“interrupt”非標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵字聲明的中斷函數(shù)；是否支持匯編代碼列表(list)功能，等等。

上述的這樣一些特性，會給嵌入式的開發(fā)帶來很多便利。TI的C語言開發(fā)工具CCS for C6000就包含上述的所有功能。

而在此基礎(chǔ)上，可以進一步地弄清開發(fā)工具的一些技術(shù)細節(jié)，以便進行之后真正的移植工作。

首先，開啟C編譯器的“匯編代碼列表(list)”功能，這樣編譯器就會為每個C語言源文件生成其對應(yīng)的匯編代碼文件。

在CCS開發(fā)環(huán)境中的方法是：在菜單“/Project/Build options”的“Feedback”欄中選擇“Interlisting：Opt/C and ASM(-s)”；或者，也可以直接在CCS的C編譯命令行中加上“-s”參數(shù)。

然后分別編寫幾個簡單的函數(shù)進行編譯，比較C源代碼和編譯生成的匯編代碼。例如：

void FUNC_TEMP (void)
{
Func_tmp2(); //調(diào)用任一個函數(shù)
}
在CCS中編譯后生成的ASM代碼為：
.asg B15, SP // 宏定義
_FUNC_TEMP:
STW B3,*SP--(8) // 入棧
NOP 2
CALL _ Func_tmp2 //-----------
MVKL BACK, B3 // 函數(shù)調(diào)用
MVKH BACK, B3 //-----------
NOP 3 
BACK: LDW *++SP(8),B3 // 出棧
NOP 4
RET B3 // 函數(shù)返回
NOP 5

由此可見，在CCS編譯器的規(guī)則中，B15寄存器被用作堆棧指針，使用通用存取指令進行棧操作，而且堆棧指針必須以8字節(jié)為單位改變。

此外，B3寄存器被用來保存函數(shù)調(diào)用時的返回地址，在函數(shù)執(zhí)行之前需要入棧保護，直到函數(shù)返回前再出棧。

當(dāng)然，CCS的C編譯器對于每個通用寄存器都有約定的用途，但對于μC/OS-II的移植來說，了解以上信息就足夠了。

最后，再編寫一個用“interrupt”關(guān)鍵字聲明的函數(shù)：

interrupt void ISR_TEMP (void)
{
int a;
a=0;
}
生成的ASM代碼為：
_ISR_TEMP:
STW B4,*SP--(8) // 入棧
NOP 2
ZERO B4 //---------
STW B4,*+SP(4) // a=0
NOP 2 //----------
B IRP // 中斷返回
LDW *++SP(8),B4 // 出棧
NOP 4 

與前一段代碼相比，對于中斷函數(shù)的編譯，有兩點不同：

● 函數(shù)的返回地址不再使用B3寄存器，相應(yīng)地也無需將B3入棧。（IRP寄存器能自動保存中斷發(fā)生時的程序地址）

● 編譯器會自動統(tǒng)計中斷函數(shù)所用到的寄存器，從而在中斷一開始將他們?nèi)咳霔１Ｗo——例如上述程序段中，只用到了B4寄存器。

編寫移植代碼

在深入了解了系統(tǒng)核心與開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，真正編寫移植代碼的工作就相對比較簡單了。

μC/OS-II自身的代碼絕大部分都是用ANSI C編寫的，而且代碼的層次結(jié)構(gòu)十分干凈，與平臺相關(guān)的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H這三個文件當(dāng)中。

在移植的時候，結(jié)合前面兩個步驟中已經(jīng)掌握的信息，基本上按照《嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II》一書的相關(guān)章節(jié)的指導(dǎo)來做就可以了。

但是，由于系統(tǒng)核心、開發(fā)工具的千差萬別，在實際項目中，一般都會有一些處理方法上的不同，需要特別注意。以C6711的移植為例：

● 中斷的開啟和屏蔽的兩個宏定義為：
#define OS_ENTER_CRITICAL() Disable_int() 
#define OS_EXIT_CRITICAL() Enable_int()

Disable_int和Enable_int是用匯編語言編寫的兩個函數(shù)。在這里使用了控制狀態(tài)寄存器(CSR)的一個特性——CSR中除了控制全局中斷的GIE位之外，還有一個PGIE位，可用于保存之前的GIE狀態(tài)。

因此在Disable_int中先將GIE的值寫入PGIE，然后再將GIE寫0，屏蔽中斷。而在Enable_int中則從PGIE讀出值，寫入GIE，從而回復(fù)到之前的中斷設(shè)置。

這樣，就可以避免使用這兩個宏而意外改變了系統(tǒng)的中斷狀態(tài)——此外，也沒有使用堆棧或局部變量，比原作者推薦的方法要好。

● 任務(wù)的切換：
前文說過，C6711中沒有軟中斷機制，所以任務(wù)的切換需要用匯編語言自行編寫一個函數(shù)_OSCtxSw來實現(xiàn)，并且
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()
在C6711中需要入棧保護的寄存器包括A0-A15、B0-B15、CSR、IER、IRP和AMR，這些再加上當(dāng)前的程序地址構(gòu)成一個存儲幀，需要入棧保存。
_OSCtxSw函數(shù)中，需要像發(fā)生了一次中斷那樣，將上述存儲幀入棧，然后獲取被激活任務(wù)的TCB指針，將其存儲幀的內(nèi)容彈出，從而完成任務(wù)切換。
需要特別注意的是，在這里OS_TASK_SW是作為函數(shù)調(diào)用的，所以如前文所述，調(diào)用時的當(dāng)前程序地址是保存在B3寄存器中的，這也就是任務(wù)重新激活時的返回地址。

● 中斷的編寫：
如前文所述，如果用“interrupt”關(guān)鍵字聲明函數(shù)，CCS在編譯時，會自動將該函數(shù)中使用到的寄存器入棧、出棧保護。
但是，這會導(dǎo)致各種中斷發(fā)生時，出入棧的內(nèi)容各不相同。這對于μC/OS-II是會引起嚴(yán)重錯誤的。因為μC/OS-II要求中斷發(fā)生時的入棧操作使用和發(fā)生任務(wù)切換時完全一樣的存儲幀結(jié)構(gòu)。
因此，在移植時、基于μC/OS-II進行開發(fā)時，都不應(yīng)當(dāng)使用“interrupt”關(guān)鍵字，而應(yīng)用如下結(jié)構(gòu)編寫中斷函數(shù)：

void OSTickISR (void)
{
DSP_C6x_Save(); // 服務(wù)函數(shù)，入棧
OSIntEnter();
if (OSIntNesting == 1) // v2.51版本新增加
{
OSTCBCur->OSTCBStkPtr
=(OS_STK*) DSP_C6x_GetCurrentSP(); // 服務(wù)函數(shù)
} // 獲取當(dāng)前SP的值
// 允許中斷嵌套 則在此處開中斷
OSTimeTick();
OSIntExit();
DSP_C6x_Resume(); // 服務(wù)函數(shù)，出棧
}
DSP_C6x_Save和DSP_C6x_Resume是兩個服務(wù)函數(shù)，分別完成中斷的出、入棧操作。它們與OS_TASK_SW函數(shù)的區(qū)別在于：中斷發(fā)生時的當(dāng)前程序地址是自動保存在IRP寄存器的，應(yīng)將其作為任務(wù)返回地址，而不再是B3。此外，DSP_C6x_Resume是一個永遠不會返回的函數(shù)，在將所有內(nèi)容出棧后，它就直接跳轉(zhuǎn)回到中斷發(fā)生前的程序地址處，繼續(xù)執(zhí)行。

進行移植的測試
在編寫完了所有的移植代碼之后，就可以編寫幾個簡單的任務(wù)程序進行測試了，大體上可以分三個步驟來進行，相關(guān)資料比較詳盡，這里就不多作贅述了。

封裝服務(wù)函數(shù)
最后這個步驟，往往是容易被忽視的，但對于保持項目代碼的簡潔、易維護有很重要的意義。
μC/OS-II的原作者強烈建議將源代碼分路徑進行存儲，例如本文例子中的所有源代碼就應(yīng)按如下路徑結(jié)構(gòu)存儲：
uCOS-II
├─SOURCE // 平臺無關(guān)代碼
│ OS_CORE.C
│ ......
└─TI_C6711 // 系統(tǒng)核心
├─CCS // 開發(fā)工具
│ OS_CPU.H 
│ OS_CPU_A.ASM
│ OS_CPU_C.C
│
├─ DSP_C6x_Service // 服務(wù)函數(shù)
│ DSP_C6x_ Service.H
│ DSP_C6x_ Service.ASM 
│
└─ TEST // 具體的開發(fā)項目代碼
OS_CFG.H
INCLUDES.H
TEST.C ......

如上，DSP_C6x_Service中的服務(wù)函數(shù)，類似于原作者提供的80x86版本中的PC.C和PC.H文件。在本文的例子中，服務(wù)函數(shù)則包括了上文提及的中斷相關(guān)函數(shù)，以及系統(tǒng)初始化函數(shù)DSP_C6x_SystemInit()和時鐘初始化函數(shù)DSP_C6x_TimerInit()等。
而具體的開發(fā)項目代碼，則可以分別在“/TI_C6711”路徑下新建自己的目錄，就如同移植測試的“TEST”項目，而無需再關(guān)注μC/OS-II的源代碼和服務(wù)函數(shù)。
如此，就可以避免不必要的編譯錯誤，也便于開發(fā)項目的維護。

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關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說明

Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權(quán)。Micrium花費了大量的時間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費軟件，也不是開放源碼的軟件，因此，不能免費使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。

開發(fā)和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個人和學(xué)校學(xué)習(xí)使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權(quán)，包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設(shè)計，教學(xué)設(shè)備和最終的產(chǎn)品，如果沒有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權(quán)都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站（www.bmrtech.com）上面中有明確規(guī)定。

Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷售模式與μC/OS-II不同，如果沒有購買使用授權(quán)，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設(shè)計，培訓(xùn)，教學(xué)和生產(chǎn)。

μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權(quán)方式有：單個產(chǎn)品、產(chǎn)品線（系列）、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數(shù)目收取費用的，相對起傳統(tǒng)的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發(fā)費用和每塊單板的使用費（根據(jù)數(shù)量從數(shù)百到幾個美圓），μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費方式，應(yīng)該只是大約相當(dāng)于傳統(tǒng)RTOS 的10-20% 的總體費用。

如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品，您需要購買并獲得正式使用授權(quán)。

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