μC/OS-II在ARM平臺上移植的深入探討

μC/OS-II在ARM平臺的移植是一個重要的學習過程，有助于提高對RTOS的認識與理解，從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。μC/OS-II是一個小的實時內(nèi)核，源代碼公開，有詳盡的解釋。正是因為其內(nèi)核小，才便于研究、理解和掌握。另外，參照TCP /IP協(xié)議、標準和一些公開的圖書，在μC/OS-II上增加TCP/IP協(xié)議棧，藍牙通信軟件、紅外通信協(xié)議也十分方便，商業(yè)價值得到了認可。

隨著科技的發(fā)展，嵌入式應用的復雜性越來越高，同時ARM體系處理器的價格越來越低，ARM平臺 + 實時操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會越來越廣泛。有鑒于此，本文對μC/OS-II在ARM平臺下的移植進行了深入探討。

1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺簡介

1.1 μC/OS-II簡介

μC/OS最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載，并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。

μC/OS-II是專門為計算機的嵌入式應用而設計的，絕大部分代碼用C語言編寫。CPU的相關(guān)部分采用匯編語言編寫，總量在200行左右的匯編語言被壓縮到最低限度，目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性優(yōu)良、可擴展等特點，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。

1.2 μC/OS-II的組成

嚴格地說μC/OS-II只是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信和同步等基本功能。沒有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信等額外的服務。但由于μC/OS-II良好的可擴展性和源代碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實現(xiàn)。

μC/OS-II可以大致分成核心、任務處理、時間處理、任務同步與通信、CPU的移植等5個部分[1]。

(1)核心部分(OSCore.c):操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)的初始化、操作系統(tǒng)運行、中斷進出的前導、時鐘節(jié)拍、任務調(diào)度、事件處理等多部分。

(2)任務處理部分(OSTask.c):與任務操作密切相關(guān)的部分。包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。

(3)時鐘部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的時鐘單位是timetick(時鐘節(jié)拍)。任務延時等操作在此完成。

(4)任務同步和通信部分：為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分，主要用于任務間的相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

(5)與CPU的接口部分：這里是指μC/OS-II針對所使用的CPU需要改寫的部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統(tǒng)，其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的，在應用到其他處理器平臺上時，這部分代碼必須做相應的改變。

1.3 ARM硬件開發(fā)平臺簡介

調(diào)試時所用的硬件開發(fā)平臺是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片，主頻203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD讀卡器、USB Host和USB Device控制器、LCD控制器、I2C總線控制器、SPI總線接口等。開發(fā)板上Flash空間為32 MB，SDRAM容量為128 MB。

2 S3C2410引導程序

開發(fā)板原有引導程序由VIVI公司提供，其運行過程分成兩個階段。第一階段的代碼用匯編語言編程，主要完成以下任務： (1)初始化CPU速度、存儲器、存儲器配置寄存器，以及串口等硬件資源的配置;(2)建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準備; (3)裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中;(4)設置相關(guān)寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù)，進入第二階段。

第二階段的代碼用C語言編寫，從main()函數(shù)開始,主要工作有:開發(fā)板外部接口初始化(I/O接口、UART接口、LCD接口等)、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等，最后啟動linux內(nèi)核。有大量文章對此開發(fā)板引導程序作了詳細的分析[3]，本文在這里不做重復，本文的重點是將引導程序與 μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合，既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口、LCD和觸摸屏接口程序;時鐘、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動程序和接口程序，又成功地完成了對μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的移植和整合。

3 移植要點

μC/OS-II的內(nèi)核分成2個部分，與處理器無關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺(這里特地強調(diào)編譯平臺的因素，主要考慮到各個編譯平臺對數(shù)據(jù)格式的理解略有差別)的特點來重新編寫3個文件，用C語言編寫的OS_CPU.H、 OS_CPU_C.C和用匯編語言編寫的OS_CPU_A.ASM，此外，要將S3C2410開發(fā)板引導程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起，還必須將各自main()函數(shù)融為一體。

3.1 OS_CPU.H的移植

μC/OS-II內(nèi)核中OS_CPU.H代碼是根據(jù)X86內(nèi)核而寫的，其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個部分：

(1)數(shù)據(jù)類型定義:在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，雖然定義8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時,在編譯過程中不會報錯，但這些變量并不會按要求被正確初始化或賦值，運行過程常常出錯。所以，在改寫OS_CPU.H代碼時，將所有變量都定義成32 bit或64 bit;

(2)堆棧生長方向定義:ARM的堆棧是從上往下生長的，OS_STK_GROWTH定義為1;

(3)開關(guān)中斷的宏定義:用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實現(xiàn)，放在OS_CPU_A.ASM文件中。

(4)宏定義OS_TASK_SW():這個宏定義是在ARM中斷處理之外時，μC/OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務時所調(diào)用的代碼，它總是在任務級代碼中被調(diào)用。在有些資料中[1]，將OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw()等同起來，這在ARM內(nèi)核中是不行的，因為后者是ARM內(nèi)核在中斷模式下的任務切換函數(shù)，而不同模式下處理器的寄存器組是不同的，所要保護的寄存器內(nèi)容也不相同，經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)以下代碼可達到目的。

OS_TASK_SW

stmfd sp!, {lr} ; PC入棧，lr其實是任務的返回地址，

stmfd sp!, {r0-r12, lr}

mrs r4, cpsr

stmfd sp!, {r4} ;最后保存CPSR ldr r4, =OSTCBCur

ldr r5, [r4]

str sp, [r5] ;將SP保存在當前任務的控制塊中 ldr r5, =OSTCBHighRdy[!--empirenews.page--]

ldr r5, [r5]

str r5, [r4] ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy ldr r6, =OSPrioHighRdy

ldr r6, [r6]

ldr r4, =OSPrioCur

str r6, [r4] ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy

ldr sp, [r5] ;得到新任務的堆棧指針

ldr r4, [sp], #4

msr cpsr_cxsf, r4 ;先恢復CPSR

ldmfd sp!, {r0-r12, lr, pc}

3.2 OS_CPU_C.C.H的移植

在OS_CPU_C.C中,最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit()，它在任務建立時,用來初始化任務堆棧結(jié)構(gòu)，其余鉤子函數(shù)可以不用動,這個函數(shù)的代碼比較簡單[2]。需要說明的是，由于本文所述系統(tǒng)，用戶任務運行在SVC模式下，沒有保存SPSR寄存器。

3.3 OS_CPU_A.ASM的移植

OS_CPU_A.ASM文件的匯編程序是μC/OS-II移植工程的重點和難點。它通常包括OSStartHighRdy()、 OSIntCtxSw()、OSTickISR()和開關(guān)中斷代碼等。其中，OSStartHighRdy()的主要工作是將優(yōu)先級最高任務對應的所有寄存器按順序從任務堆棧中恢復出來,其代碼簡單[2]。對于開關(guān)中斷函數(shù)，在調(diào)試時所用代碼如下：

EnterCritical

mrs r1, cpsr

str r1, [r0]

orr r1, r1, #NOINT

msr cpsr_cxsf, r1

mov pc, lr

ExitCritical

ldr r1, [r0]

msr cpsr_cxsf, r1

mov pc, lr

需要指出的是，在每次成對調(diào)用這兩個函數(shù)時，需要提前聲明變量r，代碼如下所示:

INT32U r;

EnterCritical(&r);

ExitCritical(&r);

需要慎重對待的是OSIntCtxSw()、OSTickISR()函數(shù)。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，用一般參考資料所介紹的代碼都無法實現(xiàn)多任務的正常運行，其主要原因是，對ARM9內(nèi)核而言，其每種特定的中斷返回，都有特定的返回指令，在中斷處理過程中，強制使用模式切換指令，使處理器的中斷處理機制發(fā)生混亂，程序無法正常執(zhí)行。例如在ISR模式中使用指令：

MSR CPSR_c, #(NO_INT | SVC32_MODE)

其目的是返回ISR發(fā)生之前的模式，然后保存一些寄存器。但調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，在上述指令執(zhí)行之后，處理器重新響應ISR中斷，并沒有順序執(zhí)行，而是立即回到ISR模式下

還有，對于S3C2410的ARM920T內(nèi)核而言，其ISR模式的返回指令是：

ldmfd sp!, {r0-r12, lr}

subs pc, lr, #04

其他任何形式的指令都無法使處理器正確返回。有些資料用下述指令：

Ldmfd sp!, {r0-r12, lr，pc}; 執(zhí)行之前堆棧中相應存儲單元的內(nèi)容為(lr-4)。

看起來與前面的兩行代碼意義相同，但后面的代碼僅僅讓處理器實現(xiàn)PC指針的跳轉(zhuǎn)，而無法實現(xiàn)處理器的模式轉(zhuǎn)換，即從ISR模式回到中斷發(fā)生之前的模式。

但在中斷發(fā)生時，無法在中斷處理過程中保存所有的處理器寄存器。例如，在ISR模式下，無法保存SVC模式的LR寄存器等。為了解決這個問題，本文采取了如圖1所示的框圖結(jié)構(gòu)來編寫中斷處理代碼和OSIntCtxSw()函數(shù)。

因為S3C2410在進入ISR模式后,自動屏蔽ISR中斷，所以粗存在中斷嵌套,可以表明2個全部變量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中斷發(fā)生之時處理器的lr和spsr寄存器。其代碼的特別之處在于，在ISR中斷處理過程中通過修改lr寄存器，而使處理器在退出ISR模式時能根據(jù)任務的需要返回至ISR中斷發(fā)生之處或者代碼指定地點。在代碼指定地點，可以保存上次中斷發(fā)生時被中斷任務的處理器的所有寄存器數(shù)據(jù)。這里需要注意一點，當處理器退出ISR模式時跳轉(zhuǎn)到Saveregister處開始執(zhí)行命令，需要提前將Saveregister處的地址加上4，然后賦值給lr寄存器。因為在 ISR退出時，需要將lr減去4再賦值給程序計數(shù)器pc。

4 S3C2410啟動代碼和μC/OS-II的融合

本文1.1節(jié)已經(jīng)介紹過，S3C2410的啟動代碼開始部分是匯編語言的初始化過程，然后跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù)。融合的工作就從改造 S3C2410的main()函數(shù)和μC/OS-II的main()函數(shù)(在test.c中)開始。在S3C2410的main()函數(shù)中，保留原啟動代碼中關(guān)于端口、內(nèi)存、外部設備初始化代碼，刪去跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)的代碼;在μC/OS-II的test.c文件的main()函數(shù)中，刪去一切與 X86內(nèi)核有關(guān)的初始化代碼和輸入輸出函數(shù)代碼(因為這部分代碼在S3C2410的啟動代碼中已經(jīng)實現(xiàn))，并將與 μC/OS-II內(nèi)核有關(guān)的3個函數(shù)OSInit()、OSTaskCreate(…)、OSStart()復制到S3C2410的main()函數(shù)中，同時刪去μC/OS-II的test.c文件。融合后的main()函數(shù)主要代碼如下：

ChangeClockDivider(1, 1); //1:2:4

ChangeMPllValue(161,3,1); //FCLK=203.0 MHz

SetClockDivider(1, 1);

SetSysFclk(FCLK_203M);

Port_Init();

Isr_Init();

Uart_Init(0, 115200);

Uart_Select(0);

MMU_Init(); //MMU 初始化

EnableModuleClock(CLOCK_ALL);

rMISCCR &= ~(0x3007);

OSInit();

OSTaskCreate(TaskStart,……, 0);

OSStart();

至此，處理器已執(zhí)行完S3C2410的啟動代碼,并開始執(zhí)行μC/OS-II內(nèi)核代碼。當然，要實現(xiàn)多任務，處理器的中斷必須是打開的。這個工作在OSStart ()函數(shù)中完成，在執(zhí)行OSStartHighRdy之前，要按照系統(tǒng)的需求完成處理器的中斷初始化工作，同時打開中斷。至此，融合工作基本完成，剩下的工作就是按照系統(tǒng)的需求在μC/OS-II的TaskStart(…)函數(shù)中自由添加實際工作所需的任務了。

在本文所述系統(tǒng)中，在μC/OS-II所帶3個系統(tǒng)任務的基礎上添加了3個任務Task1、Task2和Task3，方法是在OSStatInit( )之前添加OSTaskCreate(Task1,…)等代碼，然后按下述格式和自己的需求編寫Task1、Task2和Task3函數(shù)。代碼為：

void Task1(void *data)

{

while(1) { ;任務代碼 }

}

因篇幅所限，無法詳述在融合過程中遇到的所有問題，尤其是在ADSv1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試過程出現(xiàn)的語法問題和各種細節(jié)問題。

隨著科技的發(fā)展和實際任務復雜性的逐步增加，傳統(tǒng)的單片機前后臺編程模式漸漸不能滿足實際應用的要求。在嵌入式應用開發(fā)中使用嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，本文在S3C2410開發(fā)板上將原有的引導程序和μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，開發(fā)出能自引導的μC/OS-II操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了3個系統(tǒng)任務外，還自帶3個實際任務，在ADSV1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試，并在板卡上成功運行，對μC/OS-II在ARM平臺上的移植有一定借鑒意義。[!--empirenews.page--]