μC/OS-II在PC機上移植的設計與實現(xiàn)

1 引言

μC/OS-II是專門為嵌入式系統(tǒng)應用而設計的嵌入式實時操作系統(tǒng)，人們在學習μC/OS-II時，一開始往往在基于PC機的DOS或 Windows環(huán)境下進行分析與研究。在這種環(huán)境中，帶有μC/OS-II內(nèi)核的應用系統(tǒng)(簡稱μC/OS-II應用系統(tǒng))的運行，讓人覺得它好像是一個 DOS程序，人們無法真實地領(lǐng)略實時操作系統(tǒng)的面貌。實際上，在PC機的DOS或Windows環(huán)境中，μC/OS-II應用系統(tǒng)確實是一個DOS可執(zhí)行程序，它的運行離不開DOS或Windows環(huán)境。為了讓更多的人掌握和理解μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，筆者對μC/OS-II進行移植，使其完全脫離DOS或Windows環(huán)境而運行。首先設計Bootloader引導程序，由它來裝入μC/OS-II應用系統(tǒng);其次修改BORLAND C++編譯器中的EXE啟動代碼，剝?nèi)ヅcDOS相關(guān)的代碼;最后修改μC/OS-II內(nèi)核代碼中與硬件平臺相關(guān)部分的代碼，使其能正常運行和正常退出。

2 bootloader的設計

Bootloader引導程序的設計是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，它把操作系統(tǒng)和硬件平臺銜接在一起，通過初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間映射，為最終加載操作系統(tǒng)內(nèi)核建立正確的環(huán)境。由于Bootloader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)初始化引導程序分為兩部分，第一部分主要包含依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的硬件初始化代碼，第二部分實現(xiàn)的功能比第一部分更多更復雜，它為內(nèi)核程序準備運行的環(huán)境，將內(nèi)核裝入到指定位置，并轉(zhuǎn)到內(nèi)核處運行。本文設計的Bootloader也是由兩部分構(gòu)成，一部分稱作BOOT的引導記錄，另一部分是LOADER裝入程序。BOOT的大小固定為512個字節(jié)，作為引導記錄存放在軟盤的0面0磁道1扇區(qū)，它所實現(xiàn)的功能是在軟盤的目錄區(qū)中尋找LOADER文件，并將LOADER裝入到內(nèi)存中，然后由 LOADER負責初始化工作環(huán)境并引導內(nèi)核的運行。

軟盤采用FAT文件系統(tǒng)，并對它進行格式化，使用工具將BOOT寫到0面0磁道1扇區(qū)中，將LOADER和μC/OS-II應用系統(tǒng)程序復制到軟盤中，然后用軟盤啟動系統(tǒng)，就能觀察到μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的運行情況，它完全脫離了DOS運行環(huán)境。同樣，也可以通過Bochs、QEMU或 VMware等虛擬機做一個磁盤映像文件，用BOOT替換該映像文件的前512個字節(jié)，將LOADER和μC/OS-II應用系統(tǒng)復制到該映像文件中，然后就可以在虛擬機中完成系統(tǒng)的啟動。這樣，在每次修改程序后，不需要重新啟動機器來驗證系統(tǒng)的正確性，而只需要調(diào)整映像文件，在虛擬機中重啟系統(tǒng)即可，使用虛擬機使內(nèi)核的修改和調(diào)試變得十分容易。

2.1 BOOT的設計

當PC機加電后，首先進行自檢，然后尋找啟動盤，如果從軟盤啟動，計算機讀取軟盤的0面0磁道1扇區(qū)的內(nèi)容，若該扇區(qū)最后兩個字節(jié)是0x55、 0xaa，則其為引導扇區(qū)，計算機將其內(nèi)容裝入到內(nèi)存地址0x7c00開始處，并轉(zhuǎn)到該處運行。因BOOT只能占用一個扇區(qū)，其大小固定為512個字節(jié)，其實現(xiàn)的功能受到限制，所以BOOT的主要功能是在磁盤的目錄區(qū)中尋找LOADER程序，并將其裝入到內(nèi)存中，最后將CPU的控制權(quán)交給LOADER，其后的任務就由LOADER完成。BOOT程序的算法描述如下：

(1) 在顯示屏上顯示“Booting...”提示信息，同時使軟驅(qū)復位;

(2) 在磁盤的目錄區(qū)中尋找LOADER文件;

(3) 若LOADER文件存在，則轉(zhuǎn)(5);

(4) LOADER文件不存在，顯示提示信息“Boot fail!”，關(guān)閉軟驅(qū)馬達，程序進入死循環(huán);

(5) 將LOADER讀到內(nèi)存0x90000處;

(6) CPU轉(zhuǎn)到0x90000處運行，即將CPU的控制權(quán)交給LOADER。

這段程序用匯編語言編寫，它經(jīng)過匯編連接后，使用工具軟件，比如debug將其寫到軟盤的0面0道1扇區(qū)。

2.2 LOADER的設計

2.2.1 EXE文件格式

在DOS或Windows環(huán)境中，μC/OS-II使用BORLAND C++開發(fā)工具，因此，μC/OS-II應用系統(tǒng)的文件采用DOS的EXE格式，在裝入μC/OS-II應用系統(tǒng)時，引導程序?qū)碋XE文件格式的要求將內(nèi)核加載到內(nèi)存中。EXE文件由兩部分組成：文件首部和程序主體。文件首部包含重定位信息和控制信息，它由編譯器和連接程序自動生成;程序主體包含代碼段、棧段、數(shù)據(jù)段等，它由EXE啟動代碼和程序員編的程序構(gòu)成，它是程序?qū)嶋H運行部分。EXE文件首部內(nèi)容如表1所示。

表1 EXE文件首部

2.2.2 LOADER程序的設計

LOADER程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能是負責將內(nèi)核裝入到內(nèi)存指定位置。假定TEST.EXE為帶μC/OS-II內(nèi)核的應用程序的文件名，LOADER 裝入程序?qū)⑹紫仍诖疟P中查找TEST.EXE文件，若找到，將其讀入內(nèi)存地址0x10000開始的空間中。LOADER根據(jù)EXE文件首部的重定位表對加載到內(nèi)存中的程序進行地址重定位后，初始化運行環(huán)境，然后轉(zhuǎn)到程序主體的入口處運行。LOADER程序算法描述如下：

(1) 軟驅(qū)復位，然后在軟盤目錄表中查找文件TEST.EXE，若找到轉(zhuǎn)(3);

(2) 在軟盤中沒有找到TEST.EXE文件，顯示信息“Kernel file do not exist!”，關(guān)閉軟驅(qū)馬達，程序進入死循環(huán);

(3) 將TEST.EXE程序讀到內(nèi)存0x10000h處;

(4) 根據(jù)重定位表對裝入內(nèi)存中的TEST.EXE相關(guān)內(nèi)容進行調(diào)整;

(5) 初始化TEST.EXE的運行環(huán)境;

(6) 轉(zhuǎn)TEST.EXE入口處，開始運行TEST.EXE;

(7) 結(jié)束。