嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ的移植

1、引言

嵌入式系統(tǒng)由于它具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)已經(jīng)使它在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3]。從家里的洗衣機(jī)、電冰箱，到作為交通工具的自行車(chē)、小汽車(chē)，到辦公室里的遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)通常由硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)構(gòu)成。在嵌入式操作系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理下實(shí)現(xiàn)對(duì)所有系統(tǒng)資源的合理利用和分配，達(dá)到提高系統(tǒng)性能和有效利用有限資源的目的。μCOS-Ⅱ作為一個(gè)源碼開(kāi)放的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同時(shí)具有良好的可移植性、可裁剪性、可剝奪性、穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為許多嵌入式操作系統(tǒng)的首選。本文將μCOS-Ⅱ在Freescale的8位處理器芯片HC9S08上移植實(shí)現(xiàn)。

2、μCOS-Ⅱ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μCOS-Ⅱ是一個(gè)完整的可移植可固化可裁剪的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核?？梢栽诓恍枰龊艽笮薷牡幕A(chǔ)上方便的移植到多種處理器上。條件是：該處理器要具有一定數(shù)量的堆棧，能夠使用軟件中斷，產(chǎn)生定時(shí)器中斷，此外，編譯器要支持可重入代碼，并且要能使用匯編實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器內(nèi)部寄存器的相關(guān)操作[2] [4]。通過(guò)μCOS-Ⅱ的管理，使多個(gè)任務(wù)之間相互協(xié)調(diào)，分時(shí)的占用CPU，實(shí)現(xiàn)充分利用資源和實(shí)時(shí)等相應(yīng)的功能。

任務(wù)通常是一個(gè)死循環(huán)，用來(lái)完成某一特定的功能;一個(gè)任務(wù)相當(dāng)于一個(gè)線(xiàn)程。μCOS-Ⅱ可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都具有一個(gè)唯一的合法優(yōu)先級(jí)。但是，優(yōu)先級(jí)最低的那個(gè)任務(wù)已經(jīng)被系統(tǒng)定義為空閑任務(wù)，用戶(hù)不能使用。用戶(hù)可以通過(guò)函數(shù)OSTaskCreate()來(lái)創(chuàng)建任務(wù)，通過(guò) OSTaskDel()來(lái)刪除任務(wù)。任務(wù)可能有以下五種狀態(tài)：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待狀態(tài)、中斷服務(wù)態(tài)。利用不同的系統(tǒng)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)在各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。μCOS-Ⅱ通過(guò)對(duì)就緒表的操作總是選擇在就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。任務(wù)級(jí)的調(diào)度是由函數(shù)OSSched()來(lái)完成的;而中斷級(jí)的調(diào)度是由OSIntExt()完成的。任務(wù)切換的過(guò)程分為兩步：將被掛起任務(wù)的處理器寄存器狀態(tài)保存在它的任務(wù)堆棧中;將將要執(zhí)行的任務(wù)堆棧中保存的寄存器值彈到處理器中，然后執(zhí)行中斷返回指令。這樣新的任務(wù)就擁有了CPU，開(kāi)始執(zhí)行。直到它掛起，或者是被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中斷。μCOS-Ⅱ就是在對(duì)各種任務(wù)的切換之間起協(xié)調(diào)作用的協(xié)調(diào)者。

3、HC9S08的硬件結(jié)構(gòu)

每個(gè)HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個(gè)存儲(chǔ)器以及外設(shè)模塊組成。HCS08 核主要包括：

①HCS08 CPU

②背景調(diào)試控制器(BDC)

③支持多達(dá)32個(gè)中斷/復(fù)位源

④芯片級(jí)地址譯碼

HCS08CPU包括和M68HC08相同的寄存器。其中包括一個(gè)8位累加器(A)，一個(gè)可分別存取高8位和低8位的16位變址寄存器 (HX)，一個(gè)16位棧指針(SP)，一個(gè)16 位程序計(jì)數(shù)器(PC)和一個(gè)狀態(tài)碼寄存器(CCR)，該CCR 包含5個(gè)處理器狀態(tài)標(biāo)志(V，H，N，Z 和C)和全局中斷屏蔽標(biāo)志(I)。HCS08核定義的5個(gè)主要的存儲(chǔ)空間。

直接頁(yè)寄存器主要包括I/O 端口寄存器和大部分的外設(shè)控制和狀態(tài)寄存器;RAM區(qū)的地址緊接在直接頁(yè)寄存器地址的后面并且向高地址延伸，堆?？臻g就落在RAM中。一般將堆棧的棧頂初始化在RAM的高地址部分。和大部分的處理器一樣，HCS08的堆棧增長(zhǎng)方向是向下的。高地址頁(yè)寄存器位于$1800到$182B之間，由于這些寄存器比直接頁(yè)寄存器的使用頻率要少的多，所以它們沒(méi)有安排在珍貴的直接頁(yè)地址空間中;FLASH存儲(chǔ)器分配64K字節(jié)的存儲(chǔ)空間最終分配到地址$FFFF。這一塊的起始地址取決于MCU有多少FLASH存儲(chǔ)空間;向量區(qū)是FLASH區(qū)的一部分，位于$FFC0-$FFFF中，但是它是單獨(dú)解碼的，所以當(dāng)中斷向量取出時(shí)別的HCS08模塊可以識(shí)別出來(lái)。

4、μCOS-Ⅱ的移植

μCOS-Ⅱ絕大部分的代碼是用ANSI C編寫(xiě)的，可移植性好。但是用戶(hù)在移植時(shí)還需要修改相應(yīng)的幾個(gè)文件。與應(yīng)用相關(guān)部分需要用戶(hù)根據(jù)自己實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行配置，與處理器相關(guān)的部分需要用戶(hù)根據(jù)不同處理器的結(jié)構(gòu)修改相應(yīng)的代碼，以使操作系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行任務(wù)的切換等[1]。主要需要修改的函數(shù)如下：

1.OS_CPU.H 它主要包括了用#define語(yǔ)句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類(lèi)型。比如：typedef unsigned char INT8U、#define OS_TASK_GROUTH 1以及如何處理臨界代碼段等。

2.OS_CPU_C.C 在這個(gè)文件中要求用戶(hù)編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，但是唯一必須要修改的是OSTaskInit();這個(gè)函數(shù)初始化堆棧，應(yīng)該按照中斷時(shí)系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)棧順序來(lái)初始化堆棧結(jié)構(gòu)。對(duì)于HCS08系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，依次進(jìn)棧的是PCL、PCH、X、A、和CCR寄存器值。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定還把額外的一個(gè)變址寄存器H進(jìn)棧，有時(shí)還要保存頁(yè)值。初始化完成后，將棧頂位置SP保存在任務(wù)控制塊TCB中。

3.OS_CPU_A.ASM 在這個(gè)文件中需要修改關(guān)鍵的四個(gè)函數(shù)。

(1)OSStartHighRdy() OSStart()函數(shù)調(diào)用它來(lái)是就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。這部分一般要求用戶(hù)把它轉(zhuǎn)化成匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。本文中代碼如下：

OSTaskSwHook();

asm lda #$01

asm sta OSRunning

asm ldhx OSTCBHighRdy

asm ldhx 0, x

asm txs

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

(2)任務(wù)級(jí)切換函數(shù)OSCtxSw() 主要通過(guò)執(zhí)行軟中斷或TRAP來(lái)實(shí)現(xiàn)在任務(wù)級(jí)的切換功能。其中中斷向量指向OSCtxSw()函數(shù)的入口地址。在OSSched()的最后操作系統(tǒng)調(diào)用 OS_TASK_SW執(zhí)行軟中斷或TRAP指令，該指令找到對(duì)應(yīng)的OSCtxSw()實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。OSCtxSw()首先要保存當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的各寄存器狀態(tài)到自己的堆棧中，并且保存當(dāng)前棧頂位置;然后找到將要運(yùn)行的任務(wù)，并且把保存該任務(wù)堆棧中的寄存器彈到CPU內(nèi)部寄存器中，執(zhí)行中斷返回指令，這樣使CPU從新的任務(wù)處執(zhí)行，直到下一個(gè)任務(wù)切換的到來(lái)。執(zhí)行代碼如下：

asm psha

asm pshh

asm tsx

asm pshx

asm pshh

asm ldhx OSTCBCur

asm pula

asm sta 0, x

asm pula

asm sta 1, x

OSTaskSwHook();

asm lda OSPrioHighRdy

asm sta OSPrioCur

asm ldhx OSTCBHighRdy

asm sthx OSTCBCur

asm ldhx 0, x

asm txs

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

(3)中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw() 該函數(shù)在ISR中執(zhí)行任務(wù)的切換功能。由于是在中斷中執(zhí)行的，處理器的大部分寄存器值都已經(jīng)自動(dòng)保存在堆棧中了，所以該函數(shù)的大部分代碼都和OSCtxSw()相同，只是前半部分保存寄存器的功能不要了。

(4)OSTickISR()時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)μCOS-Ⅱ要求用戶(hù)提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的定時(shí)和超時(shí)功能。這部分功能由該函數(shù)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)函數(shù)首先保存寄存器的值，然后設(shè)置中斷標(biāo)志、清中斷，再調(diào)用OSTimeTick()遞減延時(shí)計(jì)數(shù)，判斷是否要在中斷中切換任務(wù)，最后恢復(fù)處理器寄存器，執(zhí)行中斷返回指令，返回到中斷處繼續(xù)執(zhí)行。代碼如下：

SRTISC_RTIACK = 1;

asm lda PAGE

asm psha

asm pshh

asm lda OSIntNesting

asm add #1

asm sta OSIntNesting

asm cmp #1

asm bne Tmr_TickISR1

asm tsx

asm pshx

asm pshh

asm ldhx OSTCBCur

asm pula

asm sta 0, x

asm pula

asm sta 1, x

asm Tmr_TickISR1:

OSTimeTick();

OSIntExit();

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

5、結(jié)論

本文將μCOS-Ⅱ移植到8位系列單片機(jī)上，并且在MC9S08AW60上穩(wěn)定的運(yùn)行，有效提高了該系統(tǒng)的性能，充分利用系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能得到很大的提高，開(kāi)闊了應(yīng)用范圍。同時(shí)，作者也將該系統(tǒng)在HCS08的另外兩款單片機(jī)MC9S08QE128和MC9S08GB60上移植實(shí)現(xiàn)。