實時嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在MPC555上的移植

摘要：介紹了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的特點和內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并首次實現(xiàn)了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應(yīng)用方法。 關(guān)鍵詞：μC/OS-II MPC555 嵌入式操作系統(tǒng) 移植 μC/OS-II是一種占先式、多任務(wù)、移植性非常強的免費微控制器嵌入式實時操作系統(tǒng)，從1992年出現(xiàn)以來，已在照相機、發(fā)動機控制和工業(yè)機器人等多種領(lǐng)域中得到應(yīng)用。它一方面相對GNU下Linux衍生出來的EOS更小巧且移植方便，實時性更好，更適合工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用;另一方面由于是免費的，比使用VxWorks等商業(yè)實時EOS大大節(jié)省成本，非常適用于開發(fā)實用簡約的嵌入式控制程序。 摩托羅拉的MPC555是建立在PowerPC體系結(jié)構(gòu)上，采用RISC技術(shù)的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內(nèi)嵌增加了浮點單元的32位RCPU核心、26KB靜態(tài)RAM、448KB片內(nèi)Flash、一個QSMCM(串行通訊模塊)、兩個TouCAN模塊、兩個TPU、一個MIOS(模塊化I/O系統(tǒng))、兩個QADC模塊，工作頻率達40MHz。另外芯片體積小，僅為2.5cm%26;#215;2.5cm%26;#215;0.5cm。所有這些特性使其特別適用于汽車等現(xiàn)場控制領(lǐng)域的嵌入式微控制系統(tǒng)。 將μC/OS-II移植于MPC555上既有益于MPC和μC/OS-II在車用控制器上的應(yīng)用，其成果也可以用于其他嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域。本次移植中，使用CodeWarrior for PPC 6.5編譯調(diào)試環(huán)境。

1 移植原理 μC/OS-II包括中斷管理、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)之間通信管理和內(nèi)存管理五方面功能。其結(jié)構(gòu)共分三層，如圖1。I層為與處理器相關(guān)的代碼，在 μC/OS-II的Intel 80x86版本上為OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM三個文件。該層完成系統(tǒng)時鐘的設(shè)置、出入中斷的管理和任務(wù)切換功能，為第II層提供接口。II層包括時間管理、任務(wù)調(diào)度管理、任務(wù)間的通信管理和內(nèi)存管理四部分，是OS的主體部分，全部由ANSI C代碼寫成，與處理器無關(guān)，它為用戶應(yīng)用程序提供接口。III層是用戶應(yīng)用程序部分，μC/OS-II有中斷和任務(wù)兩個處理級別，用戶可以建立自己的任務(wù)，編寫必要的中斷子程，在任務(wù)之間或任務(wù)與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點，在移植過程中，只需將I層代碼針對MPC555的編程結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改動，使其完成系統(tǒng)時鐘設(shè)置、中斷管理和任務(wù)切換功能即可。 在前后臺系統(tǒng)中，提供一個CPU堆棧。發(fā)生中斷時，將當前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現(xiàn)場，執(zhí)行中斷程序;中斷程序完成后，從CPU堆棧中彈出寄存器的值，恢復(fù)現(xiàn)場。 在多任務(wù)系統(tǒng)μC/OS-II中不是這樣。OS創(chuàng)建時，為每個任務(wù)建立并初始化一個堆棧。當發(fā)生中斷或任務(wù)切換時，把當前任務(wù)運行現(xiàn)場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務(wù)的堆棧中。當某個任務(wù)需要從就緒狀態(tài)激活到運行狀態(tài)時，OS又需將所有寄存器從該“新”任務(wù)的堆棧中彈出。這樣，每個任務(wù)分時占用CPU。而對各任務(wù)來說，每次進入運行態(tài)時，CPU狀態(tài)都與上次從運行態(tài)退出時完全一樣。所以不再是使用一個CPU堆棧，而是多個任務(wù)將各自的運行現(xiàn)場保存到自己的堆棧中。 圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖 另外，調(diào)用C函數(shù)時也會使用到堆棧，此時編譯器會創(chuàng)建一個堆棧;在C函數(shù)返回時，將其釋放。其大小因C函數(shù)使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時，能夠正確創(chuàng)建、初始化、保存并恢復(fù)各個任務(wù)的堆棧，是確保OS任務(wù)切換和中斷管理順利完成的關(guān)鍵。 MPC555有32個32bit通用定點數(shù)寄存器，32個64bit浮點數(shù)寄存器，另有9個控制/狀態(tài)寄存器。針對MPC555的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計如表1的堆棧結(jié)構(gòu)。每次任務(wù)環(huán)境入棧時創(chuàng)建一含73個位置的堆棧，為了保證浮點數(shù)寄存器的完整，每個位置為64bit寬。創(chuàng)建任務(wù)時，建立該堆棧結(jié)構(gòu)，并用默認值對其進行初始化。在任務(wù)保存或激活時把寄存器的值保存到堆棧中相應(yīng)位置，或者從堆棧的相應(yīng)位置把寄存器值彈出。其中GPR1被MPC作為堆棧指針SP使用，在堆棧操作時，要注意控制好SP。 表1 堆棧結(jié)構(gòu)表 SP Offset Register Saved NUM Default Value 584～336 328 320～80 72 64 56 48 40 32 24 16 8 0 FP31～FP0 FPSCR GPR31～GPR0 DAR CTX LR XER CR SRR1 SRR0 MSR SP(GPR1) 73～42 41 40～10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.0 0x000020FC0000 0x0 0x00 0x00 task*0x100000000[1] 0x00 0x00 0x0000B00200000000 task*0x100000000[1] 0x0000B00200000000 0 注：堆棧所屬任務(wù)代碼入口地址 2 中斷管理 首先，分析一下MPC555的中斷結(jié)構(gòu)。在MPC中有新的概念——異常(Exception)。它包含所有CPU非正常事件的出現(xiàn)，包括中斷、總線錯誤、指令錯誤、系統(tǒng)調(diào)用異常、實時中斷異常和復(fù)位等。MPC為異常提供了異常向量表。該表為每個異常提供一個256字節(jié)的異常處理代碼空間。 所有外部中斷和I/O子模塊產(chǎn)生的中斷共同作為異常的一種，占用異常向量表中的一個位置。在該異常處理程序中，軟件需根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器的值判斷到底發(fā)生了哪個中斷并進行相應(yīng)處理。 在每次發(fā)生異常時，MPC自動將主狀態(tài)寄存器MSR保存到SRR1中，將程序指針PC保存到SRR0中;然后PC指針指向該異常在異常向量表中的起始位置，進入異常處理程序。每次異常返回時，調(diào)用rfi指令，系統(tǒng)自動將SRR1中的值返回MSR中，將SRR0中的值返回PC中，即程序從SRR0指向的位置繼續(xù)執(zhí)行。在發(fā)生異常和異常返回之間，不自動允許新的異常和中斷。所以，程序需要在保存SRR0和SRR1后允許異常，在適當?shù)臅r候允許中斷。

μC/OS-II的異常處理過程中，用戶及OS與硬件無關(guān)的代碼完成圖2中①、②、③、④、⑤這五個步驟。依次完成以下任務(wù)：①給OSIntNesting加1或調(diào)用OSIntEnter()，通知OS，系統(tǒng)已進入中斷;②分析中斷源調(diào)用相應(yīng)中斷處理子程;③在該中斷處理子程中完成清中斷源;④進行其他中斷處理;⑤調(diào)用OSIntExit()判斷是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)被激活而需要進行任務(wù)調(diào)度，若不需要，則直接從中斷返回;若需要，則調(diào)用OSIntCtxSw()完成中斷級任務(wù)調(diào)度。 移植中，為了在MPC555上實現(xiàn)上述中斷處理過程，需編寫與硬件相關(guān)代碼，為以上思路提供三個接口函數(shù)：進入中斷、退出中斷和中斷級任務(wù)調(diào)度。根據(jù)MPC555的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計的完整中斷程序流程如圖2。虛框Ⅰ部分寫在異常向量表中每個異常的處理代碼空間中，依次調(diào)用Prologue()、Exception-Routine()和Epilogue()三個函數(shù)。 其中，Exception-Routine()函數(shù)為①到⑤步中斷處理子程提供調(diào)用接口。 虛框Ⅱ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Prologue()，它將發(fā)生中斷時所有寄存器保存到當前任務(wù)的堆棧中，并處理CPU狀態(tài)。是OS進入中斷的接口函數(shù)。 虛框Ⅲ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Epilogue()，它從當前任務(wù)(可能是中斷發(fā)生時的任務(wù)，也可能是新的被激活的任務(wù))堆棧中恢復(fù)所有CPU寄存器，并從中斷返回，是OS退出中斷的接口函數(shù)。 虛框Ⅳ中為與硬件和編譯器相關(guān)的函數(shù)OSIntCtxSw()。它將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當前任務(wù)，完成中斷級任務(wù)調(diào)度，隨后調(diào)用Epilogue()退出中斷，進入新的被激活的任務(wù)。應(yīng)注意，在中斷級任務(wù)調(diào)度過程中，①、⑤兩處C函數(shù)被調(diào)用后不需要返回，所以需要將堆棧指針SP向下做適當調(diào)整，以丟棄這兩個函數(shù)調(diào)用時編譯器產(chǎn)生的堆棧。C函數(shù)調(diào)用時，產(chǎn)生堆棧的大小與編譯器相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)編譯器產(chǎn)生的代碼決定此處丟棄堆棧的大小。為保證異常時需要丟棄的堆棧大小不變，可使用圖2中的方法，在異常處理時另外調(diào)用函數(shù)完成步驟③、④，以確保不同異常處理過程中，①、⑤兩處C函數(shù)被調(diào)用時，編譯器建立的堆棧大小一致。 3 任務(wù)切換 μC/OS-II中的任務(wù)調(diào)度由函數(shù)OSSched()完成。在Intel 80x86系統(tǒng)上，OSSched?穴?雪在獲得當前新的最高優(yōu)先級的任務(wù)指針后，調(diào)用CPU軟中斷完成任務(wù)切換。

在MPC555上，可以用系統(tǒng)調(diào)用異常處理程序“System Call Exception”代替軟中斷。該異常處理程序如圖3所示，完成以下三個步驟：①在prologue()中將當前任務(wù)運行環(huán)境保存到當前任務(wù)的堆棧中;②調(diào)用任務(wù)級調(diào)度函數(shù)OSCtxSw()，將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當前任務(wù);③從新任務(wù)堆棧中彈出所有寄存器的值，恢復(fù)中斷，完成任務(wù)切換。其中①、③兩部分代碼與中斷管理程序相同，不需要重新編寫，只需編寫函數(shù)OSCtxSw()完成任務(wù)指針的切換工作。 任務(wù)切換過程不可以被打斷，所以，上述過程中始終不能打開中斷。 4 時鐘管理 μC/OS-II需要在系統(tǒng)初始化后，開始一個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，它是OS系統(tǒng)的時間基準。該時鐘節(jié)拍一般由時間中斷產(chǎn)生。MPC555中可產(chǎn)生時間節(jié)拍的模塊有很多，本次移植選用DEC異常。因為它與外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高OS的穩(wěn)定性。 DEC時鐘同步于TMBCLK，其頻率可選，本次移植設(shè)置為2.5MHz。代碼在時鐘初始化和每次進入DEC異常時，將DEC計數(shù)器設(shè)置為2.5M/OS_ TICKS_PER_SEC，這樣，可使OS每秒種產(chǎn)生OS_TICKS_PER_SEC個時鐘節(jié)拍。 5 應(yīng)用方法 在使用移植后的OS時，用戶需要編寫自己的主程序main()，其流程如圖4。在適當?shù)某跏蓟蠹纯蓡覱S。 另外，用戶需在TaskStart任務(wù)中啟動時鐘節(jié)拍，調(diào)用OSStatInit()函數(shù)初始化統(tǒng)計任務(wù)，創(chuàng)建所需的其他任務(wù)，最后調(diào)用OSTaskDel()函數(shù)刪除TaskStart任務(wù)自己。OS在該函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，會自動允許異常和中斷，OS正常運轉(zhuǎn)，不斷調(diào)度任務(wù)，響應(yīng)中斷。