ARM微處理器的uC/OS的移植設計

概述

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內(nèi)核RTOS，其特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務。目前國內(nèi)對μC/OS-II的研究和應用都很多。只要買一本書就可獲得源代碼，對學校和教育的使用完全免費，商業(yè)應用的費用相對也很低。所以對μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的學習研究、開發(fā)、應用具有重要意義。

大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：

(1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

(2)可以使用C調用進入和退出臨界區(qū)代碼;

(3)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源;

(4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

(5)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

基于ARM7的S3C44B0X處理器完全滿足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結構，內(nèi)核是arm7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2個UART、1個多主I2C總線控制器、1個I2C總線控制器，以及5通道PWM定時器和1個內(nèi)部定時器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設備實現(xiàn)無縫連接，功能強大。目前，國內(nèi)應用較為廣泛。

1內(nèi)核的移植

μC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：

(1)os_cpu.h中需要設置一個常量來標識堆棧增長方向;

(2)os_cpu.h中需要聲明幾個用于開關中斷和任務切換的宏;

(3)os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

(4)os_cpu_a.asm需要改寫4個匯編語言的函數(shù);

(5)os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個簡單函數(shù);

(6)修改主頭文件include.h，將上面的三個文件和其他自己的頭文件加入。

完成上述工作后，μC/OS-II就可以運行在arm處理器上了。

2 LwIP的移植

μC/OS-II本身沒有TCP/IP協(xié)議棧，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，很少給出源代碼，影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-II上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網(wǎng)絡軟件平臺。

2.1 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer)

Lwip為了適應不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒有使用和某一個操作系統(tǒng)相關的系統(tǒng)調用和數(shù)據(jù)結構。而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個操作系統(tǒng)封裝層。操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(定時,進程同步,消息傳遞)提供了一個統(tǒng)一的接口。在lwip中進程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”。操作系統(tǒng)封裝層的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具體的操作系統(tǒng)相關的代碼在../lwip/src /arch/sys_arch.c中。

操作系統(tǒng)封裝層的主要函數(shù)如下:

void sys_init(void)//系統(tǒng)初始化

sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng)建一個新進程

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個郵箱

void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個郵箱

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個消息到郵箱

void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng)建一個信號量

void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個信號量

void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個信號量

void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個信號量

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設置一個超時事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個超時事件

…

關于操作系統(tǒng)封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件。

2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.

2.2.1 系統(tǒng)初始化sys_int()

sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務tcpip_thread創(chuàng)建前被調用。

2.2.2 創(chuàng)建一個和tcp/ip相關新進程sys_thread_new()

lwip中的進程就是μC/OS-II中的任務,注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關任務的堆棧大小,可以根據(jù)情況自己設置，我設置成10*1024，因為44b0X開發(fā)板上有8M的sdram;而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關的任務最多數(shù)目;LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關任務的起始優(yōu)先級,tcpip_thread在所有tcp/ip相關進程中應該是優(yōu)先級最高的;另外tcpip_thread應該是最先創(chuàng)建的。

2.2.3 Lwip中的定時事件

在tcp/ip協(xié)議中很多時候都要用到定時,定時的實現(xiàn)也是tcp/ip協(xié)議棧中一個重要的部分。 LwIP中每個與外界網(wǎng)絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度，以及超時后應調用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應的 sys_timeout為空(NULL)，說明該線程對連接做永久的等待。timeout結構體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負責，我們所要實現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個函數(shù)的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，因此是OS相關的函數(shù)，只能由用戶實現(xiàn)。

2.2.4 “mbox”的實現(xiàn):

LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此要在sys_arch中實現(xiàn)消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數(shù)：

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個消息隊列

sys_mbox_free() //釋放一個消息隊列

sys_mbox_post() //向消息隊列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊列中獲取消息[!--empirenews.page--]

μC/OS-II同樣實現(xiàn)了消息隊列結構OSQ及其操作，但是μC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎上重新實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對消息的管理，我們定義了以下結構：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上結構中，包括OS_EVENT類型的隊列指針(pQ)和隊列內(nèi)的消息(pvQEntries)兩部分，對隊列本身的管理利用μC/OS- II自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。

2.2.5 semaphone的實現(xiàn)和mbox類似,這里就不再重復了。

3 uc/gui的移植

3.1 LCD的接口函數(shù)

在uC/GUI中LCD_LO_x之類的函數(shù)是無控制器LCD的接口函數(shù)。44B0X本身有LCD控制器。所以我在uC/GUI for 44B0X移植中基本移用LCDMemC.c這個程序。在這程序中都是關于LCD接口的驅動。其中在44B0X上主要修改以下幾個函數(shù)：

(1)LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);

這個函數(shù)完成對44B0X LCD控制器的配置。顯存的映射。

(2)畫點函數(shù)：void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);

取點函數(shù)：unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);

uC/GUI中顯示字、圖形都這兩個函數(shù)有關。

3.2 系統(tǒng)接口函數(shù)

在uCOS-II中用GUI的，所以還要寫幾個操作系統(tǒng)接口函數(shù)。而GUI_X_x之類的函數(shù)是和操作系統(tǒng)相關的接口。

(1)系統(tǒng)時間接口

取系統(tǒng)時間： int GUI_X_GetTime (void);

延時函數(shù)： void GUI_X_Delay (int ms);

(2)任務調度函數(shù)

任務初始化：void GUI_X_InitOS (void);

任務鎖定：void GUI_X_Lock (void);

任務解鎖：void GUI_X_Unlock (void);

4 結束語

上述移植完成后，使在arm微處理器上建立一個既有TCP/IP協(xié)議棧，又建立了圖形用戶接口的嵌入式實時操作系統(tǒng)。