基于ARM微處理器的uC/OS的移植設(shè)計(jì)
概述
嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個(gè)公開(kāi)源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS，其特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開(kāi)源代碼，代碼結(jié)構(gòu)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(gè)任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)μC/OS-II的研究和應(yīng)用都很多。只要買(mǎi)一本書(shū)就可獲得源代碼，對(duì)學(xué)校和教育的使用完全免費(fèi)，商業(yè)應(yīng)用的費(fèi)用相對(duì)也很低。所以對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用具有重要意義。
大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些處理器相關(guān)代碼。μC/OS-II的移植需要滿(mǎn)足以下要求：
?。?）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼；
?。?）可以使用C調(diào)用進(jìn)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(gè)定時(shí)中斷源；
?。?）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(mǎn)足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2個(gè)UART、1個(gè)多主I2C總線控制器、1個(gè)I2C總線控制器，以及5通道PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，功能強(qiáng)大。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)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(guān)的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：
?。?）os_cpu.h中需要設(shè)置一個(gè)常量來(lái)標(biāo)識(shí)堆棧增長(zhǎng)方向；
?。?）os_cpu.h中需要聲明幾個(gè)用于開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；
?。?）os_cpu.h中需要針對(duì)具體處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類(lèi)型；
?。?）os_cpu_a.asm需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù)；
（5）os_cpu_c.c需要用c語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)；
（6）修改主頭文件include.h，將上面的三個(gè)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(yùn)行在ARM處理器上了。
2 LwIP的移植
μC/OS-II本身沒(méi)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(guò)把開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-II上來(lái)，就獲得了一套可免費(fèi)研究、學(xué)習(xí)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)。[!--empirenews.page--]
2.1 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer)
Lwip為了適應(yīng)不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒(méi)有使用和某一個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個(gè)操作系統(tǒng)封裝層。操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(wù)(定時(shí),進(jìn)程同步,消息傳遞)提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。在lwip中進(jìn)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(guān)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(gè)新進(jìn)程
sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個(gè)郵箱
void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個(gè)郵箱
void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個(gè)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(gè)信號(hào)量
void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個(gè)信號(hào)量
void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個(gè)信號(hào)量
void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個(gè)信號(hào)量
void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設(shè)置一個(gè)超時(shí)事件
void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個(gè)超時(shí)事件
…
關(guān)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(wù)tcpip_thread創(chuàng)建前被調(diào)用。
2.2.2 創(chuàng)建一個(gè)和tcp/ip相關(guān)新進(jìn)程sys_thread_new()
lwip中的進(jìn)程就是μC/OS-II中的任務(wù),注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的堆棧大小,可以根據(jù)情況自己設(shè)置，我設(shè)置成10*1024，因?yàn)?4b0X開(kāi)發(fā)板上有8M的sdram；而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關(guān)的任務(wù)最多數(shù)目；LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級(jí),tcpip_thread在所有tcp/ip相關(guān)進(jìn)程中應(yīng)該是優(yōu)先級(jí)最高的；另外tcpip_thread應(yīng)該是最先創(chuàng)建的。
2.2.3 Lwip中的定時(shí)事件
在tcp/ip協(xié)議中很多時(shí)候都要用到定時(shí),定時(shí)的實(shí)現(xiàn)也是tcp/ip協(xié)議棧中一個(gè)重要的部分。 LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線程都對(duì)應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線程的timeout時(shí)間長(zhǎng)度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線程對(duì)應(yīng)的sys_timeout為空（NULL），說(shuō)明該線程對(duì)連接做永久的等待。timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對(duì)結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對(duì)應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。timeout隊(duì)列屬于線程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶(hù)實(shí)現(xiàn)。
2.2.4 “mbox”的實(shí)現(xiàn):
LwIP使用消息隊(duì)列來(lái)緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：
sys_mbox_new（） //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列
sys_mbox_free（） //釋放一個(gè)消息隊(duì)列
sys_mbox_post（） //向消息隊(duì)列發(fā)送消息
sys_arch_mbox_fetch（） //從消息隊(duì)列中獲取消息[!--empirenews.page--]
μC/OS-II同樣實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是μC/OS-II沒(méi)有對(duì)消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的管理，我們定義了以下結(jié)構(gòu)：
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;
void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類(lèi)型的隊(duì)列指針（pQ）和隊(duì)列內(nèi)的消息（pvQEntries）兩部分，對(duì)隊(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來(lái)形成了LwIP的消息隊(duì)列功能。
2.2.5 semaphone的實(shí)現(xiàn)和mbox類(lèi)似,這里就不再重復(fù)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(lèi)的函數(shù)是無(wú)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(gè)程序。在這程序中都是關(guān)于LCD接口的驅(qū)動(dòng)。其中在44B0X上主要修改以下幾個(gè)函數(shù)：
（1）LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);
這個(gè)函數(shù)完成對(duì)44B0X LCD控制器的配置。顯存的映射。
?。?）畫(huà)點(diǎn)函數(shù)：void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);
取點(diǎn)函數(shù)：unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);
uC/GUI中顯示字、圖形都這兩個(gè)函數(shù)有關(guān)。
3.2 系統(tǒng)接口函數(shù)
在uCOS-II中用GUI的，所以還要寫(xiě)幾個(gè)操作系統(tǒng)接口函數(shù)。而GUI_X_x之類(lèi)的函數(shù)是和操作系統(tǒng)相關(guān)的接口。
?。?）系統(tǒng)時(shí)間接口
取系統(tǒng)時(shí)間： int GUI_X_GetTime (void);
延時(shí)函數(shù)： void GUI_X_Delay (int ms);
?。?）任務(wù)調(diào)度函數(shù)
任務(wù)初始化：void GUI_X_InitOS (void);
任務(wù)鎖定：void GUI_X_Lock (void);
任務(wù)解鎖：void GUI_X_Unlock (void);
4 結(jié)束語(yǔ)
上述移植完成后，使在ARM微處理器上建立一個(gè)既有TCP/IP協(xié)議棧，又建立了圖形用戶(hù)接口的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
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