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[導讀]基于ARM微處理器的uC/OS的移植設計

 概述

  嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內(nèi)核RTOS,其特點可以概括為以下幾個方面:公開源代碼,代碼結構清晰、明了,注釋詳盡,組織有條理,可移植性好,可裁剪,可固化。內(nèi)核屬于搶占式,最多可以管理60個任務。目前國內(nèi)對μC/OS-II的研究和應用都很多。只要買一本書就可獲得源代碼,對學校和教育的使用完全免費,商業(yè)應用的費用相對也很低。所以對μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的學習研究、開發(fā)、應用具有重要意義。

  大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的,因此μC/OS-II的可移植性好,然而仍需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求:

 ?。?)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

  (2)可以使用C調(diào)用進入和退出臨界區(qū)代碼;

 ?。?)處理器必須支持硬件中斷,并且需要一個定時中斷源;

  (4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

 ?。?)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

  基于ARM7的S3C44B0X處理器完全滿足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結構,內(nèi)核是ARM7TDMI,工作在66MHz,片上集成了以下部件:8K Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、2個UART、1個多主I2C總線控制器、1個I2C總線控制器,以及5通道PWM定時器和1個內(nèi)部定時器、8通道12位ADC等,能夠與常用的外圍設備實現(xiàn)無縫連接,功能強大。目前,國內(nèi)應用較為廣泛。

  1內(nèi)核的移植

  μC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容:

 ?。?)os_cpu.h中需要設置一個常量來標識堆棧增長方向;

 ?。?)os_cpu.h中需要聲明幾個用于開關中斷和任務切換的宏;

 ?。?)os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

  (4)os_cpu_a.asm需要改寫4個匯編語言的函數(shù);

 ?。?)os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個簡單函數(shù);

 ?。?)修改主頭文件include.h,將上面的三個文件和其他自己的頭文件加入。

  完成上述工作后,μC/OS-II就可以運行在ARM處理器上了。

  2 LwIP的移植

  μC/OS-II本身沒有TCP/IP協(xié)議棧,目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的,很少給出源代碼,影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-II上來,就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網(wǎng)絡軟件平臺。[!--empirenews.page--]

  2.1 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer)

  Lwip為了適應不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒有使用和某一個操作系統(tǒng)相關的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結構。而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個操作系統(tǒng)封裝層。操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(定時,進程同步,消息傳遞)提供了一個統(tǒng)一的接口。在lwip中進程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”。操作系統(tǒng)封裝層的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具體的操作系統(tǒng)相關的代碼在../lwip/src/arch/sys_arch.c中。

  操作系統(tǒng)封裝層的主要函數(shù)如下:

  void sys_init(void)//系統(tǒng)初始化

  sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng)建一個新進程

  sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個郵箱

  void  sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個郵箱

  void  sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個消息到郵箱

  void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息

  sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng)建一個信號量

  void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個信號量

  void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個信號量

  void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個信號量

  void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設置一個超時事件

  void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個超時事件

  …

  關于操作系統(tǒng)封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件。

  2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.

  2.2.1 系統(tǒng)初始化sys_int()

  sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務tcpip_thread創(chuàng)建前被調(diào)用。

  2.2.2 創(chuàng)建一個和tcp/ip相關新進程sys_thread_new()

  lwip中的進程就是μC/OS-II中的任務,注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關任務的堆棧大小,可以根據(jù)情況自己設置,我設置成10*1024,因為44b0X開發(fā)板上有8M的sdram;而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關的任務最多數(shù)目;LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關任務的起始優(yōu)先級,tcpip_thread在所有tcp/ip相關進程中應該是優(yōu)先級最高的;另外tcpip_thread應該是最先創(chuàng)建的。

  2.2.3 Lwip中的定時事件

  在tcp/ip協(xié)議中很多時候都要用到定時,定時的實現(xiàn)也是tcp/ip協(xié)議棧中一個重要的部分。 LwIP中每個與外界網(wǎng)絡連接的線程都有自己的timeout屬性,即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列,包括這個線程的timeout時間長度,以及超時后應調(diào)用的timeout函數(shù),該函數(shù)會做一些釋放連接,回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空(NULL),說明該線程對連接做永久的等待。timeout結構體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了,而且對結構體隊列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負責,我們所要實現(xiàn)的是如下函數(shù):

  struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

  這個函數(shù)的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性,因此是OS相關的函數(shù),只能由用戶實現(xiàn)。

  2.2.4 “mbox”的實現(xiàn):

  LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文,因此要在sys_arch中實現(xiàn)消息隊列結構sys_mbox_t,以及相應的操作函數(shù):

  sys_mbox_new()    //創(chuàng)建一個消息隊列

  sys_mbox_free()    //釋放一個消息隊列

  sys_mbox_post()    //向消息隊列發(fā)送消息

  sys_arch_mbox_fetch()   //從消息隊列中獲取消息[!--empirenews.page--]

  μC/OS-II同樣實現(xiàn)了消息隊列結構OSQ及其操作,但是μC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進行管理,因此不能直接使用,必須在μC/OS-II的基礎上重新實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對消息的管理,我們定義了以下結構:

  typedef struct {

  OS_EVENT*  pQ;

  void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

  } sys_mbox_t;

  在以上結構中,包括OS_EVENT類型的隊列指針(pQ)和隊列內(nèi)的消息(pvQEntries)兩部分,對隊列本身的管理利用μC/OS-II自己的OSQ操作完成,然后使用μC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收,兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。

  2.2.5  semaphone的實現(xiàn)和mbox類似,這里就不再重復了。

  3 uc/gui的移植

  3.1 LCD的接口函數(shù)

  在uC/GUI中LCD_LO_x之類的函數(shù)是無控制器LCD的接口函數(shù)。44B0X本身有LCD控制器。所以我在uC/GUI for 44B0X移植中基本移用LCDMemC.c這個程序。在這程序中都是關于LCD接口的驅(qū)動。其中在44B0X上主要修改以下幾個函數(shù):

  (1)LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);

  這個函數(shù)完成對44B0X LCD控制器的配置。顯存的映射。

 ?。?)畫點函數(shù):void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);

  取點函數(shù):unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);

  uC/GUI中顯示字、圖形都這兩個函數(shù)有關。

  3.2 系統(tǒng)接口函數(shù)

  在uCOS-II中用GUI的,所以還要寫幾個操作系統(tǒng)接口函數(shù)。而GUI_X_x之類的函數(shù)是和操作系統(tǒng)相關的接口。

  (1)系統(tǒng)時間接口

  取系統(tǒng)時間: int  GUI_X_GetTime (void);

  延時函數(shù):   void  GUI_X_Delay (int ms);

 ?。?)任務調(diào)度函數(shù)

  任務初始化:void  GUI_X_InitOS (void);

  任務鎖定:void  GUI_X_Lock (void);

  任務解鎖:void  GUI_X_Unlock (void);

  4 結束語

  上述移植完成后,使在ARM微處理器上建立一個既有TCP/IP協(xié)議棧,又建立了圖形用戶接口的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

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