μCOS-II在ATmega128單片機(jī)上的移植和開發(fā)

引    言

本文介紹μC/OS-Ⅱ移植到ATMEL公司的8位微控制器ATmega128上的過程。所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核可以在某個(gè)微處理器上運(yùn)行，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，使之成為一個(gè)實(shí)用的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)包括了硬件和軟件兩部分，由于系統(tǒng)硬件資源的限制和實(shí)際應(yīng)用的要求，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)軟件的基本要求是體積小，執(zhí)行速度快，具有較好的裁減性和可移植性。嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，通過在操作系統(tǒng)之上開發(fā)應(yīng)用軟件，可以屏蔽掉很多底層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序調(diào)試方便，移植簡單，易維護(hù)，同時(shí)開發(fā)周期也短。多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為用戶提供一些標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，程序開發(fā)人員可以利用這些API函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。但是現(xiàn)在商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，而免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-II作為一個(gè)源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核已經(jīng)有了10余年使用實(shí)踐，許多行業(yè)都有成功應(yīng)用該內(nèi)核的實(shí)例。但由于μCOS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它沒有像商用型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)那樣提供API函數(shù)接口，有很多工作需要用戶去完成，還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口等程序的編寫。

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡介

μC/OS- II是著名的、源碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，可用于各類8位、16 位、32位單片機(jī)或DSP。μC/OS-II是一個(gè)完整、可移植、可固化、可裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它用ANSIC語言編寫，包含小部分與硬件有關(guān)的匯編代碼，使之便于移植，可以在不同架構(gòu)的微處理器上使用。到目前為止，該內(nèi)核已有10多年的應(yīng)用史，在醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)、通信等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 μC/OS-II內(nèi)核可以分為幾個(gè)獨(dú)立的部分，分別是任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理幾個(gè)獨(dú)立的部分，他的許多功能都是可配置的，這樣可以根據(jù)應(yīng)用的需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁減。μC/OS-II是占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核，他總是運(yùn)行在就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，μC/OS-II總共可以管理64個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不同的，每個(gè)任務(wù)都有自己獨(dú)立的堆棧，可以壓低用戶程序?qū)?nèi)存的需求。全部μC/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行時(shí)間具有可確定性，它的系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。μC/OS-II中的任務(wù)可以是一個(gè)無限的循環(huán)，也可以在執(zhí)行完一次后被刪除掉，任務(wù)在休眠、就緒、運(yùn)行、等待和掛起等幾個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。μC/OS-II要求用戶提供定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)延時(shí)和超時(shí)控制等功能，這個(gè)定時(shí)中斷稱為時(shí)鐘節(jié)拍，他的實(shí)際頻率由用戶的應(yīng)用程序決定，一般為10～100Hz 。節(jié)拍頻率越高，系統(tǒng)的負(fù)荷越重。μC/OS-II中有三種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列。一個(gè)任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序可以通過事件控制塊向另外的任務(wù)發(fā)信號(hào)；一個(gè)任務(wù)可以等待另一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號(hào)；或者是多個(gè)任務(wù)等待同一個(gè)信號(hào)的發(fā)生，在這種情況下，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)將得到這一信號(hào)并進(jìn)入就緒狀態(tài)準(zhǔn)備執(zhí)行。

ATmega128微處理器的硬件特點(diǎn)

ATmega128 的MCU包括一個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU） ，一個(gè)狀態(tài)寄存器（SREG） ，一個(gè)通用工作寄存器組和一個(gè)堆棧指針。狀態(tài)寄存器（SREG） 的最高位I是全局中斷允許位。如果全局中斷允許位為零，則所有中斷都被禁止。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)一個(gè)中斷后，I位將由硬件自動(dòng)清“0”；當(dāng)執(zhí)行中斷返回 （RETI） 指令時(shí)，I位由硬件自動(dòng)置“1”，從而允許系統(tǒng)再次響應(yīng)下一個(gè)中斷請(qǐng)求。通用工作寄存器組是由32個(gè)8位的通用工作寄存器組成。其中R26～R31這6 個(gè)寄存器還可以兩兩合并為3 個(gè)16位的間接地址寄存器，這些寄存器可以用來對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間進(jìn)行間接尋址的寄存器。堆棧指針（SP） 是一個(gè)指示堆棧頂部地址的16 位寄存器。ATmega128單片機(jī)的硬件堆棧的生長方向是向下的（從高地址向低地址生長） ，所以軟件堆棧在定義的時(shí)候，也要采取相同的生長方向。ATmega128單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是線形的，從低地址到高地址依次是CPU寄存器區(qū)（32個(gè)通用寄存器） ，I/O寄存器區(qū)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

ATmega128的中斷響應(yīng)機(jī)制

ATmega128 有34個(gè)不同的中斷源，每個(gè)中斷源和系統(tǒng)復(fù)位在程序存儲(chǔ)空間都有一個(gè)獨(dú)立的中斷向量（中斷入口地址） 。每個(gè)中斷源都有各自獨(dú)立的中斷允許控制位，當(dāng)某個(gè)中斷源的中斷允許控制位為“1”且全局中斷允許位I也為“1”時(shí)，系統(tǒng)才響應(yīng)該中斷。當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)一個(gè)中斷請(qǐng)求后，會(huì)自動(dòng)將全局中斷允許位I清零，此時(shí)，后續(xù)中斷響應(yīng)被屏蔽。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行中斷返回指令RETI時(shí)，會(huì)將全局中斷允許位I置“1”，以允許響應(yīng)下一個(gè)中斷。若用戶想實(shí)現(xiàn)中斷嵌套，必須在中斷服務(wù)子程序中將全局中斷允許位I置“1”。在中斷向量表中，處于低地址的中斷具有高的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)高只是表明在多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的中斷，并不含有高優(yōu)先級(jí)的中斷能打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷處理工作的意思。由于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)切換實(shí)際上是模擬一次中斷，因此需要知道CPU的中斷響應(yīng)機(jī)制。中斷發(fā)生時(shí)，ATmega128按以下步驟順序執(zhí)行：

（1） 全局中斷允許位I清零。

（2） 將指向下一條指令的PC值壓入堆棧，同時(shí)堆棧指針SP減2。

（3） 選擇最高優(yōu)先級(jí)的中斷向量裝入PC，程序從此地址繼續(xù)執(zhí)行中斷處理。

（4） 當(dāng)執(zhí)行中斷處理時(shí)，中斷源的中斷允許控制位清零。中斷結(jié)束后，執(zhí)行RETI指令，此時(shí)：

①全局中斷允許位I置“1”。

② PC從堆棧推出，程序從被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。特別要注意的是：ATmega128A單片機(jī)在響應(yīng)中斷及從中斷返回時(shí)，并不會(huì)對(duì)狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器自動(dòng)進(jìn)行保存和恢復(fù)操作，因此，對(duì)狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器的中斷保護(hù)工作必須由用戶來完成。

ATmega128的定時(shí)器中斷

ATmega128 有三個(gè)定時(shí)器：T0，T1，T2，可以為μCOS-II提供精確的時(shí)鐘源。ATmega128的三個(gè)定時(shí)器都有計(jì)數(shù)溢出中斷功能，而且T1和T2還有匹配比較中斷，即定時(shí)器計(jì)數(shù)到設(shè)定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷并自動(dòng)清零。若系統(tǒng)采用這種中斷方式，其好處是在中斷服務(wù)程序ISR中不需要重新裝載定時(shí)器的值。

將μCOS-II移植到ATmega128單片機(jī)上

移植就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在ATmega128上運(yùn)行。μCOS-II大部分的代碼是用ANSIC編寫的，因此移植性很好。但是對(duì)不同的微處理器，仍然需要使用C和匯編語言來編寫其中與處理器相關(guān)的代碼，寄存器的讀、寫只能通過匯編語言的存儲(chǔ)和加載指令來實(shí)現(xiàn)。要使μCOS-II能夠正常工作，處理器必須滿足以下要求：

①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；可重入代碼是指可以被一個(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心其數(shù)據(jù)會(huì)被破壞的代碼?？芍厝氪a任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以重新運(yùn)行，而相應(yīng)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，不可重入代碼則不行。本文所使用ImageCrafT公司的ICCAVRV6. 30編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；

②用C語言可以打開和關(guān)閉中斷，本文所使用的ICCAVRV6. 30編譯器支持在C語言中內(nèi)嵌匯編語句且提供專門開關(guān)中斷的宏：CLI（） 和SEI（） 。這樣，使得在C語言中開關(guān)中斷非常方便；

③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10-100Hz 之間） ，ATmega128，有3 個(gè)定時(shí)器，能產(chǎn)生μC/OS-Ⅱ所需的定時(shí)中斷；

④ 處理器能夠支持容納一定數(shù)量的硬件堆棧，ATmega128有4KRAM，硬件堆?？梢蚤_辟在這4KRAM中；

⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀取和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存的指令，一般的單片機(jī)都滿足這個(gè)要求（如PUSH、POP指令） ，且ATmega128還具有直接訪問I/O寄存器的指令（ IN、OUT等） 。

移植的實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ的移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

（1） 用Typedef聲明與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型（在OS-CPU. H文件中） ，由于不同的微處理器有不同的字長，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用C語言的shORT、inT、lOng 等數(shù)據(jù)類型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀又可移植的數(shù)據(jù)類型來代換相應(yīng)數(shù)據(jù)類型。

（2） 用# definE設(shè)置一個(gè)常量OS-STK-GROWTH的值（OS-CPU. H） ，決定堆棧的生長方向，置0表示堆棧從下往上生長，置1表示堆棧從上往下生長。

（3） # definE聲明三個(gè)宏（OS-CPU. H） 。即進(jìn)入臨界代碼段（criTicaLcOdEsecTiOn） 的方法OS-CRITICAL-METHOD定義為3 ，在宏OS-ENTER-CRITICAL（） 中得到當(dāng)前處理器狀態(tài)字的值，并將其保存在C函數(shù)的局部變量中，這個(gè)變量在宏OS-EXIT-CRITICAL（ ） 中用于恢復(fù)PSW。宏OS-TASK-SW（） 是在內(nèi)核從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)用到的，它總是在任務(wù)級(jí)代碼中被調(diào)用。在ATMEGA128上移植，直接調(diào)用OSCTxSw （） 任務(wù)切換函數(shù)就可以了。

（4） 用C語言編寫十個(gè)簡單的函數(shù)（OS-CPU-C. C） ，OS2TAskSTKIniT（） ;OSIniTHoOkBegiN（） ;OSIniTHoOKEnd （） ; OSTAskCreaTeHoOK（ ） ；OSTAskDelHoOK（ ） ；OSTAskSw HoOK（）；OSTAskSTaTHoOK（） ；OSTimETickHoOk （） ；OSTCB IniTHoOK（） ；OSTAsKIdleHoOK（） ；實(shí)際需要修改的只有OSTAskSTKIniT（） 函數(shù)，其它九個(gè)函數(shù)都是由用戶定義的。如果用戶需要使用這九個(gè)函數(shù)，可將文件OS-CFG. H中的# definEcOnsTAnTOS-CPU-HOOKS-EN設(shè)為1，設(shè)為0表示不使用這些函數(shù)。函數(shù)OSTAskSTKIniT（ ） 是由OSTAskCreaTE（） 或OSTAskCreaTEExT（） 調(diào)用，用來初始化任務(wù)堆棧的。經(jīng)初始化后的任務(wù)堆棧應(yīng)該跟發(fā)生過一次中斷后任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)一樣。由前敘述可知，ATmega128在發(fā)生中斷后，自動(dòng)保存了程序計(jì)數(shù)器PC。為了保存全部現(xiàn)場，還需要保存狀態(tài)寄存器SREG ，R0～R31這32個(gè)通用寄存器及SP的值。

（5） 編寫四個(gè)匯編語言函數(shù)（OS-CPU-A. S） ，OSSTARTHighRdy （） 使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行；OSCTxSw （） 完成將處理器的寄存器保存到堆棧中的任務(wù)后，將任務(wù)指針指向要恢復(fù)運(yùn)行的任務(wù)，復(fù)制新任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，得到新任務(wù)的堆棧指針，恢復(fù)將運(yùn)行任務(wù)的寄存器；OSIntC2TxSw （） 完成在ISR中執(zhí)行任務(wù)的切換；OSTicKISR（） 提供系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)；這些函數(shù)涉及到出棧和入棧操作，因此需要用匯編語言編寫。做完以上工作，就是測試內(nèi)核的移植是否正確。測試一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以運(yùn)行一些簡單的任務(wù)和時(shí)鐘節(jié)拍中斷任務(wù)，一旦調(diào)試成功就可以在上面擴(kuò)展功能。

硬件驅(qū)動(dòng)程序的編寫

μCOS-II移植完成以后，就要在實(shí)時(shí)內(nèi)核之上編寫外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序可以提供訪問外圍設(shè)備的接口，把操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備硬件分離開來，當(dāng)外設(shè)改變時(shí)，只需修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不影響操作系統(tǒng)內(nèi)核。外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序主要完成以下功能：

（1） 對(duì)設(shè)備初始化和釋放；

（2） 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；

（3） 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；

（4） 檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)于擴(kuò)展相應(yīng)的API函數(shù)，不同的應(yīng)用有不同的要求，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用，編寫操作系統(tǒng)的API函數(shù)?；?mu;COS- II進(jìn)行擴(kuò)展的RTOS的總體結(jié)構(gòu)。在內(nèi)核上開發(fā)應(yīng)用，在把內(nèi)核移植到自己的硬件目標(biāo)板上后，在實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上寫出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)存操作等API函數(shù)，建立實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，最后利用這些API函數(shù)編寫用戶自己的應(yīng)用程序，就構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)軟件。而應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，根據(jù)具體應(yīng)用要求，其功能有多個(gè)任務(wù)完成，每個(gè)任務(wù)可以調(diào)用API函數(shù)，也可以調(diào)用與處理器無關(guān)的代碼提供的系統(tǒng)服務(wù)。

總    結(jié)

采用μCOS-II內(nèi)核開發(fā)的RTOS具有良好的實(shí)時(shí)性，可裁剪性，應(yīng)用它可以使產(chǎn)品更可靠，功能更強(qiáng)大，開發(fā)周期更短。該系統(tǒng)目前已在我院開發(fā)的護(hù)理用體態(tài)語言機(jī)上成功應(yīng)用。