用AndesCore N1033A-S處理器如何實現(xiàn)μC/OS-II的移植？

μC/OS-II是一種代碼公開、可裁剪的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)。該內核通過實現(xiàn)搶占式任務調度算法和多任務間通信等功能，使之具有執(zhí)行效率高、實時性能優(yōu)良等特點。另外，其占用空間非常小(最小可裁剪至2KB)并且具有高度可移植性，因此被廣泛的應用于微處理器和微控制器上。

晶心科技 (Andes)作為亞洲首家原創(chuàng)性32位微處理器IP與系統(tǒng)芯片平臺設計公司，推出的AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S， 搭配應用廣泛的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II以及相關的軟硬件開發(fā)資源，有效的幫助客戶降低現(xiàn)有成本、提升系統(tǒng)效能、減少系統(tǒng)功耗，并縮短產(chǎn)品開發(fā)上市時程。本文將介紹如何將μC/OS-II移植到AndesCore™ N1033A-S處理器上。

1. 開發(fā)環(huán)境及處理器介紹

1.1 軟/硬件開發(fā)環(huán)境

本移植過程使用的軟件環(huán)境是AndeSight? v1.4集成開發(fā)套件，它是晶心科技最新推出的針對各種AndesCore?的軟件集成開發(fā)環(huán)境，包括編譯器、調試器、分析器以及強大的ESL工具。硬件平臺采用晶心科技的FPGA評估板ADP-XC5，該評估板采用AndesCore? N1033A-S作為處理器內核，并具有豐富的片上資源。

AndesCore™ N1033A-S介紹

AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S是一款哈弗結構的32位RISC處理器內核，具有5級流水線(pipeline)及動態(tài)分支預測(Dynamic branch prediction)架構。N1033A-S新加入了最新AndeStar™ V2 指令集，把CPU效能推至1.66DMIPS/Mhz之上。同時還實現(xiàn)完整的Audio指令集，達到完全整合CPU與DSP功能的目標。N1033A-S還支持向量中斷模式以及2D 直接內存訪問(DMA)功能，更為實時信號處理添增效能。

2. μC/OS-II在N1033A-S上的可移植性分析

μC/OS-II具有高度可移植性，目前已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋從8位到64位的各種CPU(包括DSP)。

μC/OS-II的正常運行需要處理器平臺滿足以下要求： 1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;2)用C語言就可以打開和關閉中斷;3)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷;4)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧;5)處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。

AndesCore? N1033A-S內部提供了32個通用寄存器，其中R31被用來做專門的堆棧指針。32根地址線最多可訪問4GB存儲單元，因此只要系統(tǒng)RAM空間允許，堆?？臻g理論不會產(chǎn)生限制。N1033A-S處理器提供的AndeStar? V2指令集包含了豐富且十分高效的對堆棧進行操作的指令。例如指令SMW(store multiple word)可實現(xiàn)僅使用一條指令將多個寄存器的值存儲到堆棧中并同時更新堆棧指針位置，而且還能很好的處理地址非對齊字的存取。N1033A-S支持中斷并能產(chǎn)生定時器中斷，處理器中的PSW(Processor Status Word)寄存器中包含一個全局中斷禁止位GIE，控制它便可實現(xiàn)打開和關閉中斷。此外，AndeSight?集成開發(fā)環(huán)境中內置的編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，并且支持內聯(lián)匯編，C環(huán)境中可以任意進行開關中斷的操作。綜上所述，μC/OS-II完全可以移植到N1033A-S上運行。

3. 移植步驟

為了方便移植，大部分的μC/OS-II代碼是用C語言寫的，用戶只需要用C語言和匯編語言寫一些與處理器相關的代碼就可以實現(xiàn)移植。這部分工作的內容包括：一個完成基本設置的頭文件os_cpu.h、一個與處理器相關的匯編文件os_cpu_a.S 和一個與操作系統(tǒng)相關的C代碼文件os_cpu_c.c.

3.1在os_cpu.h中完成基本的配置和定義

3.1.1. 定義與處理器相關的數(shù)據(jù)類型

為保證可移植性，μC/OS-II沒有直接使用C語言中的short、int和long等數(shù)據(jù)類型的定義，因為不同的處理器有不同的字長。對于N1033A-S這樣的32位處理器，其數(shù)據(jù)類型定義實現(xiàn)如下：

3.1.2. 定義中斷禁止/允許宏

做為實時內核，μC/OS-II需要先禁止中斷再訪問代碼臨界區(qū)，并且在訪問完畢后重新允許中斷。 μC/OS-II定義了兩個宏來禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。在N1033A-S處理器上的實現(xiàn)代碼如下

GIE_SAVE 和GIE_RESTORE的實現(xiàn)如下：

中斷禁止時間是判斷系統(tǒng)實時性的重要指標之一。中斷禁止時間能否達到最短，不僅與操作系統(tǒng)的設計有關，還依賴于處理器結構和編譯器產(chǎn)生的代碼質量。從上面的實現(xiàn)代碼看到，由于Andes處理器提供了setgie.d和setgie.e兩條直接控制中斷的開關的指令，整個禁止/允許中斷的過程經(jīng)過編譯器產(chǎn)生的機器碼只有3/2條，最大限度地減小了中斷禁止時間。

3.1.3. 定義棧增長方向

μC/OS-II使用結構常量OS_STK_GROWTH來指定堆棧的增長方式，設置為0表示堆棧從下往上增長，設置為1表示從上往下增長。這里我們定義成后者，即堆棧的增長方向是從內存高地址向低地址方向遞減并且堆棧指針總是指向棧頂數(shù)據(jù)：

3.1.4.定義OS_TASK_SW()宏

OS_TASK_SW()是一個宏，它在μC/OS-Ⅱ從低優(yōu)先級任務切換到最高優(yōu)先級任務時被調用的。任務切換只是簡單的將處理器寄存器保存到將被掛起的任務的堆棧中，并且將更高優(yōu)先級的任務從堆棧中恢復出來?？刹捎脙煞N方式定義這個宏，使用軟中斷將中斷向量指向OSCtxSW()函數(shù);或者直接調用OSCtxSW()函數(shù)，這里我們采用后者(OSCtxSW()函數(shù)的實現(xiàn)將在后面介紹)：

3.2處理器相關部分匯編實現(xiàn)

μC/OS-Ⅱ的移植需要用戶編寫三個最基本的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()。它們會共用一些代碼，為了方便閱讀將它們寫在同一個匯編文件os_cpu_a.S中。

3.2.1 OSStartHighRdy()：運行優(yōu)先級最高的就緒任務。

OSStartHighRdy()函數(shù)是在OSStart()多任務啟動之后，負責從最高優(yōu)先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針SP，并通過SP恢復CPU現(xiàn)場以啟動最高優(yōu)先級的任務執(zhí)行。另外OSStartHighRdy()還必須在最高優(yōu)先級任務恢復之前和調用OSTaskSwHook()之后設置OSRunning為TRUE.其實現(xiàn)代碼如下：

3.2.2 OSCtxSw()和OSIntCtxSw()

OSCtxSw()是任務優(yōu)先級切換函數(shù)，它的作用是先將當前任務的CPU現(xiàn)場保存到該任務的堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務的堆棧指針，并從該堆棧中恢復此任務的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)行，該函數(shù)就完成了一次任務切換。

OSIntCtxSw()是中斷級的任務切換函數(shù)。由于中斷可能會使更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，因此為了讓更高優(yōu)先級的任務能立即運行，在中斷服務子程序最后會調用OSIntCtxSw()做任務切換。這樣做能夠盡快的讓高優(yōu)先級的任務得到相應的處理，保證系統(tǒng)的實時性能。

OSCtxSw()和OSIntCtxSw()都是用于任務切換的函數(shù)，其區(qū)別在于，在 OSIntCtxSw()中無需再保存處理器寄存器，因為在OSIntCtxSw()之前已發(fā)生中斷，所以可以保證所有的處理器寄存器都被正確地保存到了被中斷的任務的堆棧之中。OSCtxSw()和OSIntCtxSw()實現(xiàn)代碼如下：

N1033A-S處理器定義了四級(0-3)中斷，在各級中斷的轉換時需要保存當前中斷層級的寄存器。調用OSCtxSw()時，中斷將由0級(即沒有中斷)轉到1級，所以需要將第0級的寄存器PSW和PC保存到第1級的寄存器IPSW和IPC中。 CtxSave和CtxRestore兩個宏用來保存和恢復任務上下文。需要保存或恢復的寄存器包括32個通用寄存器(R0-R31)的值、程序計數(shù)器(PC)的值以及處理器狀態(tài)字寄存器(PSW)的值。宏IntlSwitch n通過修改PSW.INIT的值來切換中斷層級。CtxSave和IntlSwitch的匯編實現(xiàn)如下(由于CtxRestore與CtxSave過程類似，這里不做贅述)：

3.3 移植C語言編寫的幾個與操作系統(tǒng)相關的函數(shù)

μC/OS-Ⅱ有六個與CPU相關的函數(shù)：OSTaskStkInit()、 OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、 OSTimeTickHook()，它們被定義在ucos_ii.h中。其中唯一必須移植的函數(shù)是任務堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()，其它五個函數(shù)必須得聲明但沒必要包含代碼。因此這里我們只介紹OSTaskStkInit()，其代碼的實現(xiàn)如下：

OSTaskStkInit()在任務創(chuàng)建時被調用，負責初始化任務的堆棧結構并返回新堆棧的指針，使得堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。除了要保存任務的地址、變量的指針以及處理器狀態(tài)字的值外，Andes N1033A-S處理器還要求用戶保存所有32個通用寄存器(R0-R31)、四個用戶寄存器(d0.hi， d0.lo， d1.hi， d1.lo)。還有一點需要注意，在N1033A-S處理器中，堆棧指針的地址必須滿足8Byte對齊，程序最后一段邏輯即將堆棧指針調整到正確的位置，這一點在編寫其他代碼例如在宏CtxSave中同樣需要注意。

4. 結語

基于AndesStar?架構的優(yōu)勢，可以很容易的實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在N1033A-S處理器上的移植。不僅μC/OS-Ⅱ，其它嵌入式操作系統(tǒng)也可以很方便地移植到AndesCore?相應的處理器上，例如Nuclues、FreeRTOS以及Contiki。

晶心科技利用 AndesCore? N1033A-S高效能的 Audio ISA 和 FPGA開發(fā)平臺彈性的設計架構，基于各種RTOS，為客戶提供了的豐富的軟件資源(中間件、優(yōu)化的函數(shù)庫、應用實例等)以及完整的多媒體語音解決方案，從而幫助客戶更快地在Andes平臺上進行產(chǎn)品開發(fā)。