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[導(dǎo)讀]μC/OS-II在ARM平臺上移植的研究

隨著科技的發(fā)展,嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜性越來越高,同時(shí)ARM體系處理器的價(jià)格越來越低,ARM平臺 + 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會越來越廣泛。有鑒于此,本文對μC/OS-II在ARM平臺下的移植進(jìn)行了研究。

μC/OS-II在ARM平臺的移植是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)過程,有助于提高對RTOS的認(rèn)識與理解,從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。μC/OS-II是一個(gè)小的實(shí)時(shí)內(nèi)核,源代碼公開,有詳盡的解釋。正是因?yàn)槠鋬?nèi)核小,才便于研究、理解和掌握。另外,參照TCP/IP協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和一些公開的圖書,在μC/OS-II上增加TCP/IP協(xié)議棧,藍(lán)牙通信軟件、紅外通信協(xié)議也十分方便,商業(yè)價(jià)值得到了認(rèn)可。

1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺簡介

1.1 μC/OS-II簡介

μC/OS最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載,并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。

μC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,絕大部分代碼用C語言編寫。CPU的相關(guān)部分采用匯編語言編寫,總量在200行左右的匯編語言被壓縮到最低限度,目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去。

μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性優(yōu)良、可擴(kuò)展等特點(diǎn),最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。

1.2 μC/OS-II的組成

嚴(yán)格地說μC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核,它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等額外的服務(wù)。但由于μC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源代碼開放,這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實(shí)現(xiàn)。

μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信、CPU的移植等5個(gè)部分。

(1)核心部分(OSCore.c):操作系統(tǒng)的處理核心,包括操作系統(tǒng)的初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。

(2)任務(wù)處理部分(OSTask.c):與任務(wù)操作密切相關(guān)的部分。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。

(3)時(shí)鐘部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的時(shí)鐘單位是timetick(時(shí)鐘節(jié)拍)。任務(wù)延時(shí)等操作在此完成。

(4)任務(wù)同步和通信部分:為事件處理部分,包括信號量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分,主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

(5)與CPU的接口部分:這里是指μC/OS-II針對所使用的CPU需要改寫的部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng),其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的,在應(yīng)用到其他處理器平臺上時(shí),這部分代碼必須做相應(yīng)的改變。

1.3 ARM硬件開發(fā)平臺簡介

調(diào)試時(shí)所用的硬件開發(fā)平臺是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片,主頻203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD讀卡器、USB Host和USB Device控制器、LCD控制器、I2C總線控制器、SPI總線接口等。開發(fā)板上Flash空間為32 MB,SDRAM容量為128 MB。

2 S3C2410引導(dǎo)程序

開發(fā)板原有引導(dǎo)程序由VIVI公司提供,其運(yùn)行過程分成兩個(gè)階段。第一階段的代碼用匯編語言編程,主要完成以下任務(wù): (1)初始化CPU速度、存儲器、存儲器配置寄存器,以及串口等硬件資源的配置;(2)建立內(nèi)存空間的映射圖,將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài),為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備; (3)裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中;(4)設(shè)置相關(guān)寄存器和資源,跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù),進(jìn)入第二階段。

第二階段的代碼用C語言編寫,從main()函數(shù)開始,主要工作有:開發(fā)板外部接口初始化(I/O接口、UART接口、LCD接口等)、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等,最后啟動(dòng)linux內(nèi)核。有大量文章對此開發(fā)板引導(dǎo)程序作了詳細(xì)的分析[3],本文在這里不做重復(fù),本文的重點(diǎn)是將引導(dǎo)程序與μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合,既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口、LCD和觸摸屏接口程序;時(shí)鐘、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動(dòng)程序和接口程序,又成功地完成了對μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植和整合。

3 移植要點(diǎn)

μC/OS-II的內(nèi)核分成2個(gè)部分,與處理器無關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺(這里特地強(qiáng)調(diào)編譯平臺的因素,主要考慮到各個(gè)編譯平臺對數(shù)據(jù)格式的理解略有差別)的特點(diǎn)來重新編寫3個(gè)文件,用C語言編寫的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用匯編語言編寫的OS_CPU_A.ASM,此外,要將S3C2410開發(fā)板引導(dǎo)程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起,還必須將各自main()函數(shù)融為一體。

3.1 OS_CPU.H的移植

μC/OS-II內(nèi)核中OS_CPU.H代碼是根據(jù)X86內(nèi)核而寫的,其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個(gè)部分:

(1)數(shù)據(jù)類型定義:在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然定義8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時(shí),在編譯過程中不會報(bào)錯(cuò),但這些變量并不會按要求被正確初始化或賦值,運(yùn)行過程常常出錯(cuò)。所以,在改寫OS_CPU.H代碼時(shí),將所有變量都定義成32 bit或64 bit;

(2)堆棧生長方向定義:ARM的堆棧是從上往下生長的,OS_STK_GROWTH定義為1;

(3)開關(guān)中斷的宏定義:用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實(shí)現(xiàn),放在OS_CPU_A.ASM文件中。

(4)宏定義OS_TASK_SW():這個(gè)宏定義是在ARM中斷處理之外時(shí),μC/OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)所調(diào)用的代碼,它總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。在有些資料中[1],將OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw()等同起來,這在ARM內(nèi)核中是不行的,因?yàn)楹笳呤?strong>ARM內(nèi)核在中斷模式下的任務(wù)切換函數(shù),而不同模式下處理器的寄存器組是不同的,所要保護(hù)的寄存器內(nèi)容也不相同,經(jīng)過調(diào)試,發(fā)現(xiàn)以下代碼可達(dá)到目的。

  OS_TASK_SW

  stmfd sp!, {lr} ; PC入棧,lr其實(shí)是任務(wù)的返回地址,

  stmfd sp!, {r0-r12, lr}

  mrs r4, cpsr

  stmfd sp!, {r4} ;最后保存CPSR ldr r4, =OSTCBCur

  ldr r5, [r4]

  str sp, [r5] ;將SP保存在當(dāng)前任務(wù)的控制塊中 ldr r5, =OSTCBHighRdy

  ldr r5, [r5]

  str r5, [r4] ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy ldr r6, =OSPrioHighRdy

  ldr r6, [r6]

  ldr r4, =OSPrioCur

  str r6, [r4] ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy

  ldr sp, [r5] ;得到新任務(wù)的堆棧指針

  ldr r4, [sp], #4

  msr cpsr_cxsf, r4 ;先恢復(fù)CPSR

  ldmfd sp!, {r0-r12, lr, pc}

  3.2 OS_CPU_C.C.H的移植

在OS_CPU_C.C中,最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit(),它在任務(wù)建立時(shí),用來初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu),其余鉤子函數(shù)可以不用動(dòng),這個(gè)函數(shù)的代碼比較簡單[2]。需要說明的是,由于本文所述系統(tǒng),用戶任務(wù)運(yùn)行在SVC模式下,沒有保存SPSR寄存器。

3.3 OS_CPU_A.ASM的移植

OS_CPU_A.ASM文件的匯編程序是μC/OS-II移植工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它通常包括OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()和開關(guān)中斷代碼等。其中,OSStartHighRdy()的主要工作是將優(yōu)先級最高任務(wù)對應(yīng)的所有寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來,其代碼簡單[2]。對于開關(guān)中斷函數(shù),在調(diào)試時(shí)所用代碼如下:

  EnterCritical

  mrs r1, cpsr

  str r1, [r0]

  orr r1, r1, #NOINT

  msr cpsr_cxsf, r1

  mov pc, lr

  ExitCritical

  ldr r1, [r0]

  msr cpsr_cxsf, r1

  mov pc, lr

需要指出的是,在每次成對調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)時(shí),需要提前聲明變量r,代碼如下所示:

  INT32U r;

  EnterCritical(&r);

  ExitCritical(&r);

需要慎重對待的是OSIntCtxSw()、OSTickISR()函數(shù)。在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn),用一般參考資料所介紹的代碼都無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的正常運(yùn)行,其主要原因是,對ARM9內(nèi)核而言,其每種特定的中斷返回,都有特定的返回指令,在中斷處理過程中,強(qiáng)制使用模式切換指令,使處理器的中斷處理機(jī)制發(fā)生混亂,程序無法正常執(zhí)行。例如在ISR模式中使用指令:

  MSR CPSR_c, #(NO_INT | SVC32_MODE)

其目的是返回ISR發(fā)生之前的模式,然后保存一些寄存器。但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn),在上述指令執(zhí)行之后,處理器重新響應(yīng)ISR中斷,并沒有順序執(zhí)行,而是立即回到ISR模式下。

還有,對于S3C2410的ARM920T內(nèi)核而言,其ISR模式的返回指令是:

  ldmfd sp!, {r0-r12, lr}

  subs pc, lr, #04

其他任何形式的指令都無法使處理器正確返回。有些資料用下述指令:

  Ldmfd sp!, {r0-r12, lr,pc}; 執(zhí)行之前堆棧中相應(yīng)存儲單元的內(nèi)容為(lr-4)。

看起來與前面的兩行代碼意義相同,但后面的代碼僅僅讓處理器實(shí)現(xiàn)PC指針的跳轉(zhuǎn),而無法實(shí)現(xiàn)處理器的模式轉(zhuǎn)換,即從ISR模式回到中斷發(fā)生之前的模式。

但在中斷發(fā)生時(shí),無法在中斷處理過程中保存所有的處理器寄存器。例如,在ISR模式下,無法保存SVC模式的LR寄存器等。為了解決這個(gè)問題,本文采取了如圖1所示的框圖結(jié)構(gòu)來編寫中斷處理代碼和OSIntCtxSw()函數(shù)。

因?yàn)镾3C2410在進(jìn)入ISR模式后,自動(dòng)屏蔽ISR中斷,所以粗存在中斷嵌套,可以表明2個(gè)全部變量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中斷發(fā)生之時(shí)處理器的lr和spsr寄存器。其代碼的特別之處在于,在ISR中斷處理過程中通過修改lr寄存器,而使處理器在退出ISR模式時(shí)能根據(jù)任務(wù)的需要返回至ISR中斷發(fā)生之處或者代碼指定地點(diǎn)。在代碼指定地點(diǎn),可以保存上次中斷發(fā)生時(shí)被中斷任務(wù)的處理器的所有寄存器數(shù)據(jù)。這里需要注意一點(diǎn),當(dāng)處理器退出ISR模式時(shí)跳轉(zhuǎn)到Saveregister處開始執(zhí)行命令,需要提前將Saveregister處的地址加上4,然后賦值給lr寄存器。因?yàn)樵贗SR退出時(shí),需要將lr減去4再賦值給程序計(jì)數(shù)器pc。

4 S3C2410啟動(dòng)代碼和μC/OS-II的融合

本文1.1節(jié)已經(jīng)介紹過,S3C2410的啟動(dòng)代碼開始部分是匯編語言的初始化過程,然后跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù)。融合的工作就從改造S3C2410的main()函數(shù)和μC/OS-II的main()函數(shù)(在test.c中)開始。在S3C2410的main()函數(shù)中,保留原啟動(dòng)代碼中關(guān)于端口、內(nèi)存、外部設(shè)備初始化代碼,刪去跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)的代碼;在μC/OS-II的test.c文件的main()函數(shù)中,刪去一切與X86內(nèi)核有關(guān)的初始化代碼和輸入輸出函數(shù)代碼(因?yàn)檫@部分代碼在S3C2410的啟動(dòng)代碼中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)),并將與 μC/OS-II內(nèi)核有關(guān)的3個(gè)函數(shù)OSInit()、OSTaskCreate(…)、OSStart()復(fù)制到S3C2410的main()函數(shù)中,同時(shí)刪去μC/OS-II的test.c文件。融合后的main()函數(shù)主要代碼如下:

  ChangeClockDivider(1, 1); //1:2:4

  ChangeMPllValue(161,3,1); //FCLK=203.0 MHz

  SetClockDivider(1, 1);

  SetSysFclk(FCLK_203M);

  Port_Init();

  Isr_Init();

  Uart_Init(0, 115200);

  Uart_Select(0);

  MMU_Init(); //MMU 初始化

  EnableModuleClock(CLOCK_ALL);

  rMISCCR &= ~(0x3007);

  OSInit();

  OSTaskCreate(TaskStart,……, 0);

  OSStart();

至此,處理器已執(zhí)行完S3C2410的啟動(dòng)代碼,并開始執(zhí)行μC/OS-II內(nèi)核代碼。當(dāng)然,要實(shí)現(xiàn)多任務(wù),處理器的中斷必須是打開的。這個(gè)工作在OSStart ()函數(shù)中完成,在執(zhí)行OSStartHighRdy之前,要按照系統(tǒng)的需求完成處理器的中斷初始化工作,同時(shí)打開中斷。至此,融合工作基本完成,剩下的工作就是按照系統(tǒng)的需求在μC/OS-II的TaskStart(…)函數(shù)中自由添加實(shí)際工作所需的任務(wù)了。

在本文所述系統(tǒng)中,在μC/OS-II所帶3個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的基礎(chǔ)上添加了3個(gè)任務(wù)Task1、Task2和Task3,方法是在OSStatInit( )之前添加OSTaskCreate(Task1,…)等代碼,然后按下述格式和自己的需求編寫Task1、Task2和Task3函數(shù)。代碼為:

  void Task1(void *data)

  {

  while(1) { ;任務(wù)代碼 }

  }
本文在S3C2410開發(fā)板上將原有的引導(dǎo)程序和μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起,開發(fā)出能自引導(dǎo)的μC/OS-II操作系統(tǒng),該系統(tǒng)除了3個(gè)系統(tǒng)任務(wù)外,還自帶3個(gè)實(shí)際任務(wù),在ADSV1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試,并在板卡上成功運(yùn)行,對μC/OS-IIARM平臺上的移植有一定借鑒意義。

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