實時操作系統(tǒng)µC/OS-II在ARM7上的移植

1 引言

目前，嵌入式系統(tǒng)在家電、移動電話、PDA等各種領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，程序設(shè)計也越來越復(fù)雜，這就需要采用一個通用的嵌入式操作系統(tǒng)來對其進(jìn)行管理和控制。移植了操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，可大大減輕程序員的負(fù)擔(dān)，操作系統(tǒng)提供了多任務(wù)的管理功能，只需專注于每個任務(wù)的管理。對于不同的應(yīng)用，可以按照相同的步驟完成系統(tǒng)設(shè)計。如果更換硬件平臺，則只需要對操作系統(tǒng)進(jìn)行少量的移植工作，與硬件無關(guān)的應(yīng)用代碼完全無需修改，同時，可增強代碼的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

µC/OS-II是一種專門為微處理器設(shè)計的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、可移植性和可靠性高等特點。由于µC/OS-II是為嵌入式應(yīng)用編寫的通用軟件，故在具體應(yīng)用時需根據(jù)不同單片機(jī)的特點進(jìn)行移植，其大部分代碼是用標(biāo)準(zhǔn)C語言所寫，只有與處理器相關(guān)的一部分代碼用匯編語言編寫，因而具有很強的移植性，能在從8位到64位單片機(jī)以及DSP等超過40種不同構(gòu)架的微處理器上實現(xiàn)運行。本文主要介紹µC/OS-II在Samsung公司的一款ARM7TDMI的嵌入式處理器S3C44B0X上移植應(yīng)用。

要實現(xiàn)µC/OS-II在S3C44B0X的構(gòu)建、裁剪和移植，需要有S3C44B0X的編譯器，本文采用的是英蓓特公司推出的EmbestIDE for ARM編譯器。

2 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的可行性分析

所謂移植，就是使一個實時內(nèi)核能在某個微處理器或微控制器上運行。要使µC/OS-II能夠正常運行，處理器必須滿足以下幾個條件：

(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重人代碼；

(2)在程序中可以打開或者關(guān)閉中斷；

(3)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷(通常在l0~l000Hz之間)；

(4)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

(5)處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內(nèi)存)的指令。Samsung公司的S3C44BOX處理器能夠滿足以上的要求，所以可以將µC/OS-II移植到S3C44B0X上。

3 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的概要

µC/OS-II硬件和軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，對µC/OS-II的移植實際上就是對與處理器有關(guān)的代碼進(jìn)行重寫或修改。本文中移植代碼結(jié)構(gòu)由四部分組成，分別是用戶代碼部分、核心代碼部分、設(shè)置代碼部分、與處理器相關(guān)的移植代碼部分。用戶代碼即應(yīng)用軟件，用來實現(xiàn)用戶的具體要求，例如本文中和PC機(jī)的串口通訊代碼；核心代碼部分, 包含OS_CORE.C、COS_FLAG.C、OS_MBOX.C、OS_MEME.C、OS_Q.C、OS_SEM.C、OS_TASK.C、 OS_TIME.C、µC/OS-II.C、µC/OS-II.H 十個文件；設(shè)置代碼部分，即µC/OS-II配置代碼，包含OS_CFG.H、INCLUDES.H 兩個文件，用來配置事件控制塊的數(shù)目以及是否包含消息管理相關(guān)代碼等；與處理器相關(guān)代碼即µC/OS-II要移植的處理器配置代碼，包含 OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三個文件，在µC/OS-II的移植過程中，用戶所需要關(guān)注的就是這部分文件。

圖1  µC/OS-II軟硬件體系結(jié)構(gòu)

4 µC/OS-II在S3C44B0X上移植代碼分析

4.1 OS_CPU.H文件分析

OS_CPU.H包括用#define定義的與處理器有關(guān)的常量、宏和類型定義。

（1）定義與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型。

µC/OS-II為了保證可移植性，程序中沒有直接使用int、unsigned int等定義，而是自己定義了一套數(shù)據(jù)類型，例如，INT8U表示8位無符號整型，INT16U表示16位無符號整型等。對于ARM這樣的32位內(nèi)核，INT16U是unsigned short型；若是16位的處理器，則是unsigned int型。不能使用bit型變量，把BOOLEAN型定義成unsigned char型。另外S3C44B0X數(shù)據(jù)寬度和堆棧寬度都是32位，分別將OS_STK和OS_CPU_SR定義成unsigned int型。

（2）義堆棧增長方向

在µC/OS-II中，用OS_STK_GROWTH來設(shè)置堆棧的增長方向，OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從低地址向高地址增長；OS_STK_GROWTH為l表示堆棧從高地址向低地址增長，其宏定義為：

#define  OS_STK_GROWTH  l； //堆棧從高地址向低地址增長

#define  OS_STK_GROWTH  0； //堆棧從低地址向高地址增長

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（3）代碼臨界區(qū)

µC/OS-II在進(jìn)入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前需關(guān)中斷，退出臨界區(qū)后再開中斷，則µC/OS-II能夠保護(hù)臨界區(qū)代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程的破壞。在S3C44B0X中，通過設(shè)置狀態(tài)寄存器CPSR中的中斷禁止位來實現(xiàn)。µC/OS-II中的宏#define OS_ENTER_CRITICAL()  IRQFIQDE定義將狀態(tài)寄存器中的中斷禁止位置位，以禁止所有的中斷；#define OS_EXIT_CRITICAL()  IRQFIQRE定義將狀態(tài)寄存器的中斷禁止位置零，以允許所有的中斷。

(4) 定義OS_TASK_SW宏

OS_TASK_SW宏是µC/OS-II從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時的調(diào)度，可以采用下面兩種方式定義：一種是如果處理器支持軟中斷，那么可以使用軟中斷將中斷向量指向OSCtxSw函數(shù)；另一種是直接調(diào)用OSCtxSw函數(shù)。本文用的是后一種方式。

4.2  OS_CPU_A.ASM文件分析

(1) OSStartHighRdy()函數(shù)

OSStart()函數(shù)調(diào)用OSStartHighRdy()，使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始執(zhí)行。

其示意性代碼如下：

Void OSStartHighRdy (void)
{
調(diào)用用戶定義的OSTaskSwHook()；
OSRunning=TRUE；
得到將要恢復(fù)運行任務(wù)堆棧指針；
SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr；
從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器的所有寄存器；
執(zhí)行中斷返回指令；
}

(2) OSCtxSw函數(shù)

該函數(shù)由OS_TASK_SW宏調(diào)用。OS_TASK_SW宏由OSSched函數(shù)調(diào)用。OSSched函數(shù)負(fù)責(zé)任務(wù)之間的切換。OSCtxSw函數(shù)在OSSched函數(shù)中負(fù)責(zé)將當(dāng)前任務(wù)對應(yīng)的處理器寄存器保存到堆棧中，并將任務(wù)中需要恢復(fù)的處理器寄存器從堆棧中恢復(fù)出來。(3)OSIntCtxSw()函數(shù)

該函數(shù)由OSIntExit函數(shù)調(diào)用。OSIntExit函數(shù)由OSTickISR函數(shù)調(diào)用。OSIntCtxSW負(fù)責(zé)在定時中斷任務(wù)之間的切換。目前提到的函數(shù)OSCtxSW和函數(shù)OSIntCtxSW均負(fù)責(zé)任務(wù)之間的切換，區(qū)別主要在于是否在定時中斷期間負(fù)責(zé)任務(wù)切換。OSIntCtxSW函數(shù)主要當(dāng)前任務(wù)堆棧指針，并將新任務(wù)對應(yīng)的處理器寄存器從堆棧中恢復(fù)出來。

(4)OSTickISR()函數(shù)

時間節(jié)拍函數(shù)，由定時中斷產(chǎn)生。主要負(fù)責(zé)在進(jìn)入時保存處理器寄存器，完成任務(wù)時切換，推出時恢復(fù)寄存器并返回。OSTickISR()函數(shù)完成的操作和OSCtxSw()類似，只不過OSTickISR()是由硬件定時器溢出中斷觸發(fā)。其示意性代碼如下：

Void OSTickISR (void)
{
保存處理器寄存器；
調(diào)用OSIntEnter()或者直接給OSIntNesting加1；
if(OSIntNesting==1){
OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;
給產(chǎn)生中斷的設(shè)備清中斷；}
OSTimeTick()；OSIntExit()；
恢復(fù)處理器寄存器；執(zhí)行中斷返回；
}

4.3  OS_CPU_C.C 文件分析

這個源文件中有6個函數(shù)需要移植，即OSTaskStkInit()、OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、 OATaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTASKTickHook()。后面5個函數(shù)又稱為鉤子函數(shù)，主要用來擴(kuò)展µC/OS-II功能。但必須聲明，并不一定要包含任何代碼。唯一必須移植的函數(shù)是OSTaskStkInit()。該函數(shù)在任務(wù)創(chuàng)建時被調(diào)用，它負(fù)責(zé)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)。這個函數(shù)在大部分ARM處理器中移植時都可以采用一種形式。      

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5 測試移植代碼

在EmbestIDE編譯器上編譯基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系統(tǒng)代碼。編譯結(jié)果表明，裁剪后的µC/OS-II操作系統(tǒng)的代碼占用的空間少，代碼通過了編譯。為了驗證基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系統(tǒng)移植的是否成功，本文創(chuàng)建了兩個測試任務(wù)來驗證其合理性。

創(chuàng)建的2個測試任務(wù)及源碼如下：

OSTaskCreate (TestTransplantA, (void *) 0, &TestTransplantAStk[StackSize-1], 2);
OSTaskCreate (TestTransplantB, (void *) 0, &TestTransplantBStk[StackSize-1], 3);
void TestTransplantA (void *pdata)
 { pdata=pdata;
   while(1) {
uart_printf("TaskA ");
OSTimeDly (400);
}
}
Void TestTransplantB (void *pdata) {
  pdata=pdata;
   while(1)  {
   uart_printf("TaskB ");
OSTimeDly(200);
}
  }

多任務(wù)調(diào)度開始后，通過超級終端接收的UART0的數(shù)據(jù)為：taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB ……。高優(yōu)先級的任務(wù)TestTransplantA()首先被調(diào)度運行，說明OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函數(shù)是正確的。任務(wù)TestTransplantA()和任務(wù)TestTransplantB()由時鐘節(jié)拍驅(qū)動而周期地被調(diào)用，說明OSCtxSw、 OSIntCtxSw()、OSTickISR()也是正確的。通過以上兩點可以認(rèn)為移植結(jié)果是正確的。

6 結(jié)束語

在µC/OS-II平臺下開發(fā)程序，首先要掌握內(nèi)核。通過上述移植過程，能夠?qū)θ蝿?wù)堆棧，任務(wù)調(diào)度有深刻理解。作為一種開放源代碼的操作系統(tǒng)，以其優(yōu)越的性能在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了非常廣泛的發(fā)展空間。移植結(jié)果表明，經(jīng)過裁剪的µC/OS-II在S3C44B0X上的移植是成功的。

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