Cortex-M3內核的μC/OSII性能研究

引言

μC/OSII是基于優(yōu)先級的可剝奪型內核，系統(tǒng)中的所有任務都有一個唯一的優(yōu)先級別，它適合應用在實時性要求較強的場合;但是它不區(qū)分用戶空間和系統(tǒng)空間，使系統(tǒng)的安全性變差。而移植到CortexM3內核上的μC/OSII系統(tǒng)一般是運行在特權級下，以至于應用程序也可以訪問操作系統(tǒng)的變量和常量，這樣使得系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性變得更差。

根據CortexM3內核的特點，對μC/OSII操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行研究。利用CortexM3內核上選配的MPU(Memory ProtectiON Unit，存儲器保護單元)，對μC/OSII操作系統(tǒng)做適當的改進與優(yōu)化。經測試，系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到很大的提高。

1 開發(fā)壞境

采用IAR5.30作為開發(fā)環(huán)境，移植μC/OSII2.86到CortexM3內核，選用配置了MPU(Memory Protection Unit，存儲器保護單元)的LPC1786處理器作為硬件實驗平臺，對操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進行改進與優(yōu)化。

2 CortexM3內核簡介

在CortexM3內核*有兩個堆棧指針：主堆棧指針(MSP)，是系統(tǒng)上電后缺省的堆棧指針，它由OS內核、異常服務例程以及所有需要特權訪問的應用程序代碼來使用;進程堆棧指針(PSP)，用于常規(guī)的應用程序代碼(不處于異常服務例程中時)。

CortexM3處理器支持線程模式和處理模式兩種工作模式，有特權級與用戶級兩個訪問等級。異常處理總是工作在處理模式，只可使用主堆棧指針。處理模式總是在特權級下運行，而線程模式可在特權和用戶級下運行。系統(tǒng)復位時總是處于線程模式的特權方式下，并且默認使用的堆棧指針是MSP。在用戶級下，對特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間(SCS)的大部分寄存器的訪問是禁止的[2]。

經實驗驗證，在用戶級下使用MSR、MRS指令訪問特殊功能寄存器(CONTROL等)，這些指令被當作NOP指令(空指令)執(zhí)行，而對系統(tǒng)控制空間(SCS)寄存器訪問會產生精確的總線訪問異常。

另外，CortexM3內核還可以選配MPU(如LPC1700系列、LM3S系列處理器)，用于對存儲器進行保護。設定一塊內存的訪問權限，對系統(tǒng)的安全性有很好的幫助。

3 μC/OSII內核簡介

μC/OSII是一個可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務內核。大部分用ANSI C語言編寫，只有一小部分與硬件相關的代碼用匯編語言編寫。至今，μC/OSII已經在40多種不同架構的微內核處理器上移植成功[4]。μC/OSII內核只提供了任務調度、任務管理、時間管理和任務間通信等基本功能，體系結構如圖1所示。進行系統(tǒng)移植時，只需要修改OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM這3個文件即可。

圖1 μC/OSII體系結構

4 μC/OSII操作系統(tǒng)移植的改進

μC/OSII*****提供的基于CortexM3內核移植的μC/OSII系統(tǒng)一直工作在特權級下。這樣做的好處是，系統(tǒng)不用頻繁地切換訪問等級，而且開關中斷很快，利于實時性的實現(xiàn);但是應用程序(用戶任務)也可以訪問特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間(SCS)寄存器，修改操作系統(tǒng)的變量，這對系統(tǒng)的安全性是一種威脅，如果用戶任務程序跑飛，那就有可能破壞系統(tǒng)寄存器和變量[5]。

4.1 系統(tǒng)寄存器的設置

用戶應用程序運行在用戶級,使用PSP堆棧指針;操作系統(tǒng)函數運行在特權級，使用的也是PSP堆棧指針;而中斷服務例程運行在處理模式的特權方式下，使用MSP堆棧指針。

圖2 特權與用戶級分區(qū)

首先利用MPU把內存分為特權級訪問和用戶級訪問兩個區(qū)，如圖2所示。在系統(tǒng)初始化時，設置MPU相關寄存器，為系統(tǒng)分配任務堆棧與主堆棧：任務堆棧分配在用戶區(qū)，系統(tǒng)變量與主堆棧分配在特權區(qū)，只可特權級下訪問。

4.2 系統(tǒng)函數的修改

用戶任務工作在用戶級下，操作系統(tǒng)函數工作在特權級下，任務可能會在執(zhí)行系統(tǒng)函數時執(zhí)行上下文切換，因此系統(tǒng)要記錄任務切換時是處在特權級還是用戶級下，以便任務再次獲得處理器控制權時，切換到原先的訪問等級下。在任務創(chuàng)建時，加入訪問權限參數mode。

權限的值定義為：

#define OS_Mode_USER 1u //用戶級
#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特權級
在創(chuàng)建任務函數與堆棧初始函數的參數中加入訪問權限參數，形式如下：
INT8U OSTaskCreateExt (……,INT8U mode );
OS_STK *OSTaskStkInit (……,INT8U mode);

在堆棧初始化時，把mode最后存到堆棧當中，以便任務第一次運行時進入相應的工作模式(特權級或用戶級)。統(tǒng)計任務和空閑任務的mode是OS_Mode_PRIVILEGE，而用戶任務為OS_Mode_USER。

4.3 OS_CPU_A.ASM文件中函數的修改

在OS_CPU_A.ASM文件中，只需修改函數PendSV_Handler(PendSV服務例程)，任務切換是由它來完成的。同時，設置PendSV的優(yōu)先級為最低，以便快速響應中斷，提高系統(tǒng)的實時性。PendSV服務例程的流程如圖3所示。

圖3 PendSV服務例程流程

任務切換上文的程序：

SUBS R0,R0,#0x24;調整PSP指針，mode、R4~R11共36字節(jié)
MRS R1,CONTROL;獲取當前任務的訪問等級mode
STM R0,{R1,R4R11};壓棧mode，R4~R11[!--empirenews.page--]
LDR R1,=OSTCBCur;獲取OSTCBCur?﹥OSTCBStkPtr
LDR R1,[R1]
STR R0,[R1];存儲PSP值到任務控制塊切換下文的程序：
……;OSPrioCur=OSPrioHighRdy;
……;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;
……;得到新任務的PSP值，存儲到R0中
LDM R0,{R1,R4R11};R1(mode),R4~R11出棧
MSR CONTROL,R1;修改CONTROL[0]
ORR LR,LR,#0x04;選擇返回時使用的堆棧
ADDS R0,R0,#0x24;調整PSP值
MSR PSP,R0;R0存入PSP中

4.4 系統(tǒng)函數的使用

系統(tǒng)函數都是在特權級下執(zhí)行的，在應用程序中調用系統(tǒng)函數前應該切換到特權級，系統(tǒng)函數執(zhí)行完畢后再切換后用戶級。調用形式如下：

ToPrivilege ();
OSFunction(Parameter1, Parameter2……);//系統(tǒng)函數
ToUser ();

在特權級下可以通過置位CONTROL[0]來進入用戶級。用戶級下是不能通過修改CONTROL[0]來回到特權級的，必須通過一個異常handler來修改CONTROL[0]，才能在返回到線程模式后取得特權級。因此，從用戶級到特權級的方法就是產生一個異常，再在異常例程中修改CONTROL[0]。通常的方法是使用軟中斷SVC。

切換到特權級的代碼如下：

ToPrivilege;函數ToPrivilege ()
SVC 0
BX LR
SVC_Handler;SVC服務例程
MRS R1,CONTROL
AND R1,R1,#0xFE
MSR CONTROL,R1;回到特權級
BX LR

而從特權到用戶級就簡單了，只要執(zhí)行切換程序就可以了，不用產生異常。切換到用戶級的代碼為：

ToUser;函數ToPrivilege ()
MRS R0,CONTROL
ORR R0,R0,#0x01;切換到用戶級
MSR CONTROL,R0
BX LR

4.5 其他改進方法

任務在用戶級+PSP下運行，而操作系統(tǒng)函數運行在特權級+MPS運行，中斷服務例程有硬件設定在處理模式+特權級+MSP，這樣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性會更高。但是每個任務需要兩個堆棧PSP、MSP。這樣無疑增加了內存的使用(將近增加一倍)，由于嵌入式芯片的片內RAM比較小，增加內存必然會增加成本，并且要對任務控制塊做相應的修改，存儲兩個堆棧。任務創(chuàng)建時對這兩個堆棧都要初始化，任務切換時判斷切換的堆棧與訪問權限，這些都增加了系統(tǒng)的開銷。

結語

系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行10個小時以上沒出現(xiàn)任何問題，可見系統(tǒng)移植成功。利用CortexM3內核選配的MPU，對μC/OSII操作系統(tǒng)進行修改，只是增加了很小的系統(tǒng)開銷，卻使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。該方法可應用于對系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性要求比較高的場合。