μCOS-II在ARM Cortex-M3處理器上的移植

0 引言

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到了人們工作、生活中的各個領(lǐng)域，嵌入式處理器已占分散處理器市場份額的94%，其中ARM的應(yīng)用最為廣泛。基于ARM內(nèi)核的處理器以其諸多優(yōu)異性能而成為各類產(chǎn)品中選用較多的處理器之一。

當(dāng)系統(tǒng)越來越大，應(yīng)用越來越多時，就出現(xiàn)了如何管理眾多的硬件資源，以及如何滿足系統(tǒng)的實時控制要求和如何提高系統(tǒng)軟件開發(fā)效率等不可回避的問題。這時，使用嵌入式操作系統(tǒng)很有必要。操作系統(tǒng)的主要作用有：統(tǒng)一管理系統(tǒng)資源;為用戶提供訪問硬件的接口;調(diào)度多個應(yīng)用程序和管理文件系統(tǒng)等。

1 概述

μC/OS-II是著名的、源碼公開的實時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于各類8位、16位和32位處理器。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用，包括諸多領(lǐng)域，如手機、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制等。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴(yán)格的測試，并且得到了美國航空管理局的認(rèn)證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的。

Cortex-M3是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的。該處理器采用最新的ARMv7-M架構(gòu)。還具有如下特性：

(1)采用Thumb-2指令集。在Thumb-2中，16位指令首次與32位指令并存，代碼密度得到很大改善。

(2)Cortex-M3處理器可配置為具有SW-DP或JTAG-DP調(diào)試端口。

(3)使用可選的MPU對處理器提供存儲器保護。

(4)具有嵌套向量中斷控制器(NVIC)，低延遲的異常處理。

本論文采用的是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZE處理器，詳細論述了μC/OS-Ⅱ的移植過程。編譯環(huán)境采用的是RVMDKV3.7。

2 移植工作

所謂移植，就是使一個實時內(nèi)核能在指定的微處理器上運行。為了方便移植，大部分μC/OS-II的代碼都是用C語言編寫的，但是仍需要用C語言和匯編語言編寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-II是第一個支持Cortex的RTOS，圖1顯示應(yīng)用程序、μC/OS-II、port和BSP四者之間的關(guān)系。具體移植工作主要涉及到頭文件OS_CPU.H、C語言文件OS_CPU_C.C以及匯編格式文件OS_CPU_A.ASM。

2. 1 OS_CPU.H

OS_CPU.H包含處理器需要的用#defines語句定義的、與處理嘉相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。因為不同的處理器有不同的字長，μC/OS-II的移植包括了一系列的數(shù)據(jù)類型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II內(nèi)核代碼不使用C語言中的short、int及l(fā)ong等數(shù)據(jù)類型，因為它們是編譯器相關(guān)的，是不可移植的。Cortex-M3是32位處理器，同時參照RVMDK編譯器文檔，對μC/OS-II內(nèi)核中的數(shù)據(jù)類型作如下定義：

…

typedef unsigned int OS_STK;

typedef unsigned int OS_CPU_SR;

OS_STK定義的是32位寬的堆棧入口地址數(shù)據(jù)類型，OS_CPU_SR定義的是32位寬的Cortex-M3處理器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)類型。

和所有的實時內(nèi)核一樣，μC/OS-II為了訪問臨界區(qū)的代碼需要關(guān)閉中斷，訪問完，重新使能中斷。為了增加可移植性，μC/OS-II定義了兩個宏分別關(guān)閉和使能中斷一OS_ENTER_CRITICAL()、OS_EXIT_CRITICAL()。μC/OS-II定義了三種關(guān)閉和使能中斷方法，只需要使用其中一個。多數(shù)情況下，推薦使用OS_CRITICAL_METHOD#3。

OS_CRITICAL_METHOD#3通過寫一個保存CPU狀態(tài)寄存器在一個臨時變量里的函數(shù)，實現(xiàn)OS_ENTER_CRITICAL()。OS_EXIT_CRITICAL()調(diào)用另一個函數(shù)從臨時變量恢復(fù)CPU狀態(tài)寄存器。

絕大多數(shù)微處理器和控制器的堆棧是從上往下遞減的，但是也有些處理器使用的是相反的方式。μC/OS-II對兩種都可以處理，只要配置常數(shù) OS_STK_GROWTH指定堆棧的方向就可以了。ARM Cortex-M3的堆棧增長是從高內(nèi)存地址往低內(nèi)存地址，因此，OS_STK_GROWTH應(yīng)該設(shè)置為l。

2. 2 OS_CPU_C.C

移植μC/OS-Ⅱ要求編寫10個簡單的C語言函數(shù)，但唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit()，其他9個函數(shù)必須申明，但并不一定要包含任何代碼，允許用戶在必要時添加擴展OS功能的代碼。

OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通過調(diào)用OSTaskStklnit()，初始化任務(wù)堆棧。因此，堆棧看起來像中斷剛發(fā)生過一樣，所有寄存器都保存在堆棧中。多數(shù)CPU寄存器的初始值并不重要，但是為了方便調(diào)試和檢查堆棧，用寄存器序號去初始化它們。寄存器的順序是重要的，應(yīng)該和ARM Cortex-M3在發(fā)生異常時的堆棧順序一樣。

2. 3 OS_CPU_A.ASM

移植μC/OS-II要求編寫5個簡單的匯編語言函數(shù)。

OS_CPU_SR_Save()

OS_CPU_SR_Restore()

OSStartHighRdy()

OSCtxSw()

OSIntCtxSw()

OS_CPU_SR_Save()按照OS_CRITICAL_METHOD#3的方式，首先保存中斷屏蔽寄存器，接著關(guān)閉中斷。這個函數(shù)被宏OS_ENTER_CRITICAL()調(diào)用。當(dāng)這個函數(shù)返回時，RO包含關(guān)閉中斷前的中斷屏蔽寄存器的狀態(tài)。

OS_CPU_SR_Restore()恢復(fù)在調(diào)用OS_ENTER_CRITICAL()之前中斷屏蔽寄存器的原值。也就是說，若在調(diào)用OS_ENTER_CKJTICAL()之前中斷是關(guān)閉的，調(diào)用之后仍是關(guān)閉的。

OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()來運行在調(diào)用OSStart()之前創(chuàng)建的最高優(yōu)先級任務(wù)。OSStart()設(shè)置OSTCBHighRdy指向最高優(yōu)先級任務(wù)的OS_TCB。

當(dāng)一個任務(wù)放棄對CPU的控制時，OS_TASK_SW()宏被調(diào)用，實際最終調(diào)用的是OSCtxSw()函數(shù)。通常，OSCtxSw()應(yīng)該實現(xiàn)任務(wù)上下文切換，但是在ARM Cortex-M3中，所有的上下文切換由pendSV句柄來完成。OSCtxSw()僅僅觸發(fā)PendSV句柄，再返回到調(diào)用處。

ISR完成后，調(diào)用OSIntExit()查看是否有比中斷任務(wù)更重要的任務(wù)需要去執(zhí)行。若確實如此，OSIntExit()調(diào)用 OSIntCtxSw()決定下一步將要運行哪一個任務(wù)。然而，和OSCtxSw()一樣，僅僅觸發(fā)PendSV句柄，再返回到調(diào)用處。

限于篇幅，不詳細列出5個函數(shù)的源代碼。

2.4 PendSV句柄及系統(tǒng)滴答

PendSV句柄函數(shù)為μC/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)所有的上下文切換。這是ARM Cortex-M3推薦的上下文切換方法。這是因為ARM Cortex-M3發(fā)生任何異常時，自動保存多個寄存器，異常返回時自動恢復(fù)這些寄存器。PendSV僅僅需要保存R4-Rll和調(diào)整堆棧指針。不管是任務(wù)的初始化還是中斷或異常引發(fā)的PendSV異常都是采用同樣的方法實現(xiàn)保存和恢復(fù)上下文。[!--empirenews.page--]

μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源來實現(xiàn)時間的延時和超時功能。Cortex-M3的系統(tǒng)滴答定時器是專門為RTOS設(shè)計的?？梢栽? OSStart()運行后，μC/OS-II啟動運行的第一個任務(wù)中調(diào)用OS_CPU_SysTickInit()初始化系統(tǒng)滴答定時器并使能中斷。

需要注意的是：在系統(tǒng)啟動代碼中，初始化中斷向量時，向量14和15應(yīng)放置PendSV和SysTick對應(yīng)的句柄。

3 測試移植代碼

至此，基本完成移植源代碼的編寫和修改，緊接著的工作就是驗證移植的μC/OS-Ⅱ是否正常工作，而這可能是移植中最復(fù)雜的一步。應(yīng)該首先不加任何應(yīng)用代碼來測試移植好的μC/OS-Ⅱ，也就是說測試內(nèi)核自身的運行情況。若有些部分沒有正常工作，可以明白是移植本身的問題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題。若將基本的任務(wù)和時鐘節(jié)拍運行起來，接下來添加應(yīng)用任務(wù)將是非常簡單的。

首先在RVMDK中建立新工程，添加STM32F103ZE的啟動代碼，確保C編譯器、匯編器和鏈接器能正常工作。將μC/OS-II移植代碼添加到工程中，使用源代碼調(diào)試器逐一驗證移植函數(shù)。工程管理窗口如圖所示：

4 結(jié)語

在成功驗證移植代碼之后，將μC/OS-II應(yīng)用于移動多媒體直放站CMMB項目中，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，說明本移植是成功的。在CMMB項目采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，提高了研發(fā)效率，增強了系統(tǒng)的可維護性和擴展性。