嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在ARM上的移植

O 引言

目前，市場(chǎng)以及院?？蒲杏们度胧较到y(tǒng)產(chǎn)品，如Vxworks，Linux和Windows CE等都已經(jīng)相當(dāng)成熟，提供了有力的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，但有些開(kāi)發(fā)成本昂貴，周期較長(zhǎng)，而μC/OS-Ⅱ是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)源代碼的公開(kāi)操作系統(tǒng)，內(nèi)核精簡(jiǎn)，移植性較強(qiáng)，非常適合用于一些小型控制和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1 操作系統(tǒng)及CPU介紹

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含有任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步通信(信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成，極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，便于移植。作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，最多可以管理64個(gè)任務(wù)，并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間的通信機(jī)制，同時(shí)用戶可以根據(jù)需求對(duì)內(nèi)核中的功能模塊進(jìn)行裁剪。

LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的嵌入式精簡(jiǎn)指令集微控制器，包含了1個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-SCPU，適用于為了各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用。該體系機(jī)構(gòu)支持用戶、軟中斷、中斷、管理、中止、未定義、系統(tǒng)等7種處理器模式，ARM7TDMI-S處理器內(nèi)部有31個(gè)通用32位寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。LPC2378包含了1個(gè)10/100 EthernetMAC，USB 2.0全速接口，4個(gè)UART接口，2路CAN通道，1個(gè)SPI接口，2個(gè)同步串行端口(SSP)，3個(gè)I2C接口，1個(gè)I2S接口和 MiniBus(MiniBus僅用于LPC2378，它是8位數(shù)據(jù)/16位地址并行的總線)。下面以μC/OS-Ⅱ在工業(yè)級(jí)芯片LPC2378上的移植為例，通過(guò)分析操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)介紹μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法和過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題的解決。

2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 內(nèi)核基本結(jié)構(gòu)

圖1是接近μC/OS-Ⅱ的簡(jiǎn)單內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)核保留給上層應(yīng)用的接口有3個(gè)，分別是軟保護(hù)、ITC和DSR。由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，因此最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的使用權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

2.2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核基本工作原理

多任務(wù)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU，并且負(fù)責(zé)各任務(wù)之間的通信和協(xié)同，任務(wù)切換是內(nèi)核提供的基本服務(wù)。μC/OS-Ⅱ多任務(wù)操作系統(tǒng)的基本工作原理如下：

(1)在使用μC/OS-Ⅱ的所有服務(wù)之前，必須調(diào)用初始化函數(shù)OSInit()，初始化所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)創(chuàng)建空閑任務(wù) OSTaskIdle()，并賦予最低的優(yōu)先級(jí)別和永遠(yuǎn)的就緒態(tài)，同時(shí)完成任務(wù)控制塊(TCB)的初始化、TCB優(yōu)先級(jí)表的初始化、TCB鏈表的初始化和事件控制塊(ECB)鏈表的初始化。

(2)調(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()創(chuàng)建至少一個(gè)新任務(wù)，并給任務(wù)賦予一定的優(yōu)先級(jí)，而且它們有各自的一套CPU寄存器和自己的棧空間。

(3)調(diào)用OSSTART()函數(shù)，通過(guò)從任務(wù)就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級(jí)別最高的任務(wù)控制塊，然后開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度。

3 μC/OS-Ⅱ在LPC2378上的移植過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題分析

現(xiàn)以LPC2378微控制器上的移植為例，分析μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法，所采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為ARM公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2。

3.1 移植代碼

(1)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型無(wú)關(guān)的代碼有μC/OS-Ⅱ.H，μC/OS- Ⅱ.C，OS_CORE.C，OS_TASK.C，OS_TIME.C，OS_SEM.C，OS_MBOX.- C，OS_MUTEX.C，OS_FLAG.C，也就是說(shuō)這些文件可以不用修改就直接添加。

(2)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型有關(guān)的代碼有OSCPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C，也就是說(shuō)用戶需要根據(jù)所選CPU的類(lèi)型將這些函數(shù)進(jìn)行修改后才能添加入內(nèi)核。

3.2 OS_CPU.H文件的定義與修改

OS_CPU.H文件定義了與編譯器及CPU相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、堆棧的寬度和增長(zhǎng)方式以及開(kāi)關(guān)中斷的宏定義。由于微處理器和微控制器所支持的堆棧增長(zhǎng)方式不同，這里需要根據(jù)所選芯片LPC2378支持的類(lèi)型對(duì)宏OS_STK_GRWOTH進(jìn)行定義，由于ARM7 TD-MI-S內(nèi)核堆棧支持從上往下的生長(zhǎng)方式，所以應(yīng)做如下定義：

#define OS_STK_GROWTH 1 //堆棧是從上往下長(zhǎng)的OS_CPU.H文件中另外3個(gè)宏 OS_CRITICAL_METHOD，OS_ENTER_CRITICAL()，OS_EXIT_CRITICAL()用于定義開(kāi)關(guān)中斷的方式及開(kāi)關(guān)中斷的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)用開(kāi)關(guān)中斷2個(gè)宏來(lái)保護(hù)臨界代碼如下：

3.3 OS_CPU_C.C文件中主要函數(shù)的定義及編寫(xiě)

OS_CPU_C.C中要求用戶編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)：

結(jié)合要移植的CPU內(nèi)核的硬件和寄存器特性，簡(jiǎn)要對(duì)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)進(jìn)行分析和創(chuàng)建：

其他9個(gè)函數(shù)必須聲明，但并不一定包含任務(wù)代碼。

3.4 μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-Ⅱ的移植，還要求編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù);即OSStartHighRdy()，OSintCtxSw()，OSTIckISR()，OSCtxSw()。

3.4.1 函數(shù)OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()

函數(shù)OSStart()用于調(diào)用OSStartHighRdy()，以使使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行：

3.4.2 時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序

μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和超時(shí)確認(rèn)功能，時(shí)鐘節(jié)拍每秒發(fā)生10～100次。必須在開(kāi)始多任務(wù)后，啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，但由于Osatart()函數(shù)不會(huì)返回，用戶無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一操作，所以可以在OSStart()運(yùn)行之后，μC/OS啟動(dòng)的第1個(gè)任務(wù)中初始化節(jié)拍中斷?；贚PC2378移植下OSTicklSR()的簡(jiǎn)易代碼編寫(xiě)如下：[!--empirenews.page--]

當(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)把CPU寄存器推入堆棧，但并不包括存儲(chǔ)頁(yè)面寄存器PPAGE，如果單片機(jī)系統(tǒng)的尋址范圍超過(guò)64 KB，則需要通過(guò)給PPAGE賦值來(lái)區(qū)分不同的16 KB地址，需要把PPAGE也推入堆棧。當(dāng)某任務(wù)的任務(wù)控制塊中時(shí)間延時(shí)項(xiàng)OSTCBDly減到了零，OSTi-mtick()就進(jìn)入了就緒態(tài)。 OSIntExit()會(huì)調(diào)用中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw執(zhí)行任務(wù)切換，而不再執(zhí)行后面的指令。如果沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則 CPU會(huì)返回中斷前狀態(tài)。

3.4.3 任務(wù)級(jí)任務(wù)切換

實(shí)際上任務(wù)級(jí)的切換就是通過(guò)執(zhí)行軟中斷指令，或者根據(jù)處理器的不同，執(zhí)行TRAP指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。中斷服務(wù)子程序、TRAP或者異常處理的向量地址必須指向OSCtXSW()，利用系統(tǒng)在跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序時(shí)會(huì)自動(dòng)把斷點(diǎn)指針壓入堆棧的功能，把斷點(diǎn)指針存入堆棧，而利用中斷返回指令I(lǐng)RET，能把斷點(diǎn)指針推入CPU的PC寄存器功能，恢復(fù)待運(yùn)行任務(wù)的斷點(diǎn)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)的保存和恢復(fù)。

3.4.4 中斷級(jí)任務(wù)切換

OSIntExit()通過(guò)調(diào)用OSIntSw()，在ISR中執(zhí)行任務(wù)切換函數(shù)。因?yàn)镺SIntCtxSw()是在ISR中被調(diào)用的，所以假定所有的處理器寄存器都被正確地保存到了被中斷任務(wù)的堆棧中。OSIntSw()函數(shù)的絕大多數(shù)代碼與OSCtxSw()函數(shù)是一樣的，區(qū)別只是：因?yàn)? ISR已經(jīng)保存了CPU的寄存器，而不再需要在OSIntSw()函數(shù)中保存CPU的寄存器。在進(jìn)行操作系統(tǒng)移植時(shí)，該段程序的代碼如下：

3.5 移植中的問(wèn)題

ARM處理器的軟件調(diào)試通過(guò)JTAG口直接在系統(tǒng)的外部SRAM運(yùn)行，因此在程序調(diào)試之前，ARM處理器的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件首先調(diào)用初始化文件 (*.ini)，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)器和設(shè)備的地址來(lái)修改文件。如果該文件有誤，開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件將無(wú)法通過(guò)JTAG與處理器通信。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)測(cè)試與分析，主要有4個(gè)方面原因：

(1)中斷處理程序的中斷矢量地址沒(méi)有正確賦值，從而導(dǎo)致發(fā)生中斷后CPU無(wú)法運(yùn)行到中斷處理程序位置;

(2)在OsctxSw和OSIntctxSw中的任務(wù)切換語(yǔ)句后加人幾條NOP空語(yǔ)句，確保任務(wù)切換的相應(yīng)指令執(zhí)行結(jié)束，如果在這些位置沒(méi)有加相應(yīng)的空操作指令，也會(huì)導(dǎo)致程序跑飛;

(3)由于堆棧的空間分配不夠，以及沒(méi)有給CPU的各個(gè)工作模式分配空間，導(dǎo)致任務(wù)切換時(shí)，堆棧溢出;

(4)μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個(gè)時(shí)鐘資源來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)鐘節(jié)拍應(yīng)該每秒鐘發(fā)生10～100次，用戶必須在開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度后(即調(diào)用 OSStart后)允許時(shí)鐘節(jié)拍中斷。通常的錯(cuò)誤是在調(diào)用OSlnit()和OSStart()之間允許時(shí)鐘節(jié)拍中斷，同時(shí)用戶不要單純地追求實(shí)時(shí)性，而將系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍頻率增加太高。以上幾個(gè)方面的問(wèn)題解決后，系統(tǒng)的工作非常穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)測(cè)試

移植完成后的系統(tǒng)包括4個(gè)部分：自啟動(dòng)程序、μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)文件、移植代碼、應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司提供的ADSl.2(ARM Dev-eloper Suite)。該系統(tǒng)創(chuàng)建了以下3個(gè)任務(wù)來(lái)驗(yàn)證μC/OS-Ⅱ的移植成功：

在為自己的微處理器做完μC/OS-Ⅱ的移植后，首先建立3個(gè)任務(wù)，之后不加任何其他應(yīng)用代碼來(lái)測(cè)試移植好的μC/OS-Ⅱ，也就是說(shuō)應(yīng)該先測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行狀況。這樣做有2個(gè)原因：不希望將事情復(fù)雜化;如果有些地方?jīng)]有工作可以明白是移植本身的問(wèn)題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測(cè)試和修改，無(wú)相關(guān)錯(cuò)誤產(chǎn)生，說(shuō)明移植成功。

5 結(jié)語(yǔ)

μC/OS-Ⅱ具有很強(qiáng)的移植性，具有多任務(wù)實(shí)時(shí)可剝奪型內(nèi)核，而且代碼量較小，源代碼開(kāi)放，可被廣泛移植到8位、16位等許多微處理器上。國(guó)外諸如APC，ROTEK等企業(yè)都在產(chǎn)品中成功地使用了μC/OS-Ⅱ內(nèi)核，不僅開(kāi)發(fā)成本低，而且系統(tǒng)精簡(jiǎn)，因此將μC/OS-Ⅱ移植到LPC-2378 這種工業(yè)級(jí)的芯片上，具有相當(dāng)?shù)纳虡I(yè)價(jià)值。