實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在MCF5272上的移植

 介紹了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的特點(diǎn)和內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并首次實(shí)現(xiàn)μC/OS-II在Motorola嵌入式處理器MCF5272上的移值。

作為一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，μC/OS從1992年開(kāi)始為人們熟悉，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為μC/OS-II。ΜC/OS-II最多支持56個(gè)任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并支持Semaphore(信號(hào)量)、Mailbox(郵箱)、Message Queue(消息隊(duì)列)等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。

與大多商用RTOS不同的是，μC/OS-II公開(kāi)所有的源代碼，并可以免費(fèi)獲得，對(duì)商業(yè)應(yīng)用收取少量License費(fèi)用。一般商用操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS、WinCE，購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)美元，而且每件產(chǎn)品都需要交納運(yùn)行費(fèi)，開(kāi)發(fā)、使用成本高昂。

目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire處理器，采用ColdFire V2可變長(zhǎng)RISC處理器核心和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63Dhrystone2.1MIPS。其內(nèi)部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，如10/100MHz快速以太網(wǎng)控制器，USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。

使用GNU工具鏈(包括交叉編譯器GCC、匯編器AS等)進(jìn)行μC/OS-II內(nèi)核的編譯，Host(宿主機(jī))環(huán)境為16MB SDRAM。在宿主機(jī)上編譯出MCF5272處理器的可執(zhí)行代碼，通過(guò)MCF5272的BDM調(diào)試工具下載到目標(biāo)板調(diào)試運(yùn)行。

1 μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1說(shuō)明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無(wú)限循環(huán)。μC/OS-II處理器無(wú)關(guān)的代碼提供μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

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的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些處理器相關(guān)的代碼。μC/OS-II的移植需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)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(jìn)入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼);

(3)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

(4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

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

移值μC/OS-II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP的編寫(xiě)。

2 μC/OS-II DSP編寫(xiě)

BSP(板級(jí)支持包)是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的操作。

為μC/OS-II編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的BSP。它首先設(shè)置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運(yùn)行和調(diào)用環(huán)境;然后可以方便地使用C語(yǔ)言設(shè)置MCF5272片選地址(CS0～CS7)、GPIO以及SDRAM控制器，初始化串口(UART0)作為默認(rèn)打印口，并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關(guān)例程和函數(shù)如dprintf()，以方便調(diào)試;在CPU、板級(jí)和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。

MCF5272處理器將系統(tǒng)上電作為2號(hào)異常，因此需要在異常矢量表中相應(yīng)位置填寫(xiě)第一條命令的物理地址，這可以在編譯時(shí)自動(dòng)完成。該矢量表必須存放在CS0對(duì)應(yīng)的FLASH中供CPU上電時(shí)自動(dòng)讀取。如：

_vectors： //矢量表起始地址

.long 0x0,_start,_fault,_fault,… //初始化1K字節(jié)矢量表

……

_start: nop //第一條指令

move.w #0x2700,%sr //屏蔽所有中斷

move.1 #_vectors,%d0

move.c %d0,%VBR //#vectors->VBR

move.1 #0x10000001,%d0

move.c %d0,%MBAR //SIM單元基地址0x10000000

move.1 #0x20000001,%a0 //SRAM起始地址0x20000000

move.c %a0,%RAMBAR0 //初始化內(nèi)部SRAM

move.1 #0x20001001,%a7 //設(shè)置堆棧指針

……

jsr cpu_init //調(diào)用cpu_init初始化SIM單元

jsr ucos_start //啟動(dòng)μC/OS-II

……

其中，cpu_init函數(shù)用于初始化CPU內(nèi)部SIM單元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化，不同生產(chǎn)商的SDRAM的初始化時(shí)序有一定差異。

BSP在完成片級(jí)和板級(jí)初始化后，還負(fù)責(zé)初始化程序自身，如將.data段的內(nèi)容從只讀的ROM復(fù)制到SDRAM中，建立運(yùn)行時(shí)環(huán)境。以下是建立程序數(shù)據(jù)段的代碼：

memcpy(&_sdata,&_etext,(&_edata-&_sdata)); //拷貝.data段

memset(&_sbss,0,(&_ebss - &_sbss)); //將.bss段清零

還需要為μC/OS-II編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編函數(shù)。在每個(gè)硬件時(shí)鐘到來(lái)后，μC/OS-II會(huì)在中斷服務(wù)例程中調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)調(diào)度;另外，當(dāng)某個(gè)任務(wù)因等待資源而被掛起時(shí)，沒(méi)有必要等到自己的時(shí)間片全都用完，可以自己主動(dòng)放棄CPU，這可以通過(guò)調(diào)用一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSCtxSw()來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中相對(duì)復(fù)雜的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR()調(diào)用了OSIntExit()，OSIntExit()又再次調(diào)用了OSIntCtxSw()，如果進(jìn)行任務(wù)切換，那么兩次調(diào)用都不會(huì)返回，而不同的C編譯器、不同的編譯選項(xiàng)處理C調(diào)用時(shí)對(duì)堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw()是編譯器相關(guān)的。GCC在使用2～4級(jí)優(yōu)化時(shí)，在主調(diào)函數(shù)中會(huì)是一個(gè)jsr跳轉(zhuǎn)指令，而被調(diào)函數(shù)以linkw %fp,#開(kāi)始。這兩條指令都會(huì)影響堆棧指針。

為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，必須重新調(diào)整堆棧指針以補(bǔ)償調(diào)用的影響。一個(gè)完整過(guò)程如下：

OSIntCtxSw：

adda.1 #16,%a7 //棧補(bǔ)償，GCC-O2->-04優(yōu)化

move.1 (OSTCBCur)，%a1

move.1 %a7,(%a1) //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP

jsr OSTaskSwHook //調(diào)和Hook鉤子函數(shù)

/*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/

move.1 (OSTCBHighRdy),%a1

move.1 %a1,(OSTCBCur)

move.b (OSPrioHighRdy),%d0

move.b %d0,(OSPrioCur) //OSPrioCur=OSPrioHighRdy

move.1 (%a1),%a7 //SP=OSTCBCur->OSTCBStkPtr

movem.1 (%a7),%d0-%d7/%a0-%a6 //恢復(fù)CPU寄存器，切換到新任務(wù)

lea 60(%a7),%a7

rte

篇幅所限，其它三個(gè)函數(shù)就不述了。

3 μC/OS-II任務(wù)堆棧初始化

μC/OS-II中每個(gè)任務(wù)都有自己的任務(wù)堆棧，在任務(wù)創(chuàng)建初期由OSTaskStkInit()初始化。初始化堆棧的目的就是模擬一次中斷。任務(wù)堆棧中保存了任務(wù)代碼的起始地址和一些CPU寄存器(初值是無(wú)關(guān)緊要的)，這樣一旦條件滿(mǎn)足，就可以執(zhí)行該任務(wù)了。MCF5272在中斷發(fā)生時(shí)，會(huì)自動(dòng)保存程序指針PC、狀態(tài)寄存器SR以及其它一些信息，為四字幀結(jié)構(gòu)。除此以外，%d0-%d7、%a0-%a6也必須按一定順序入棧。OSTaskStkInit()在完成堆棧初始化后，還要返回棧頂指針以用于該任務(wù)控制塊TCB結(jié)構(gòu)的初始化。該程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

4 μC/OS-II系統(tǒng)時(shí)鐘

MCF5272處理器內(nèi)置了4個(gè)定時(shí)器，使用TIMER0產(chǎn)生周期10ms的定時(shí)中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)PIVR寄存器設(shè)置為0x40時(shí)，TIMER0為69號(hào)中斷，在矢量表的相應(yīng)位置需填入時(shí)鐘服務(wù)程序OSTickISR()的入口地址，并初始化時(shí)鐘：

volatile unsigned SHORT*pTimer;

pTimer=(unsigned short*)(0x10000000+0x200); //指向TIMER0

/*復(fù)位時(shí)鐘*/

*pTimer &=0xFFF9; //定時(shí)器處于STOP狀態(tài)

*pTimer=(*pTimer & 0x00FF)|0xFA00;//預(yù)分頻=250

*pTimer |=0x0018; //計(jì)數(shù)滿(mǎn)自動(dòng)清零，中斷方式

pTimer[2]=165; //Set TRR=165

*pTimer=(*pTimer & 0xFFF9) |0x0004; //CLK=Master/16,啟動(dòng)

上述程序段時(shí)鐘節(jié)拍的周期為：(1/66MHz)×250×164×16=0.01秒。實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合可以使用更為精細(xì)的時(shí)鐘。TIMER0一旦完成初始化，就開(kāi)始工作，但是要讓中斷發(fā)生，還必須設(shè)置ICR寄存器相應(yīng)字段給該中斷分配IPL(Interrupt Priority Level，中斷優(yōu)先級(jí))，并保證該中斷沒(méi)有初狀態(tài)寄存器SR屏蔽。

該時(shí)鐘初始化代碼可以放在第一個(gè)μC/OS-II任務(wù)中，在OSStart()后執(zhí)行。一旦內(nèi)核可以進(jìn)行正常的任務(wù)切換，移植工作也就基本完成了。

5 內(nèi)核編譯與下載

所有的C和匯編源文件經(jīng)過(guò)編譯、鏈接，最終形成一個(gè)二進(jìn)制映像文件。由于μC/OS-II使用了自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型，因此必須將其轉(zhuǎn)變成為GCC(GNU C Compiler)能識(shí)別的類(lèi)型，如INT8U可以定義為unsigned CHAR。另外，還必須編寫(xiě)一個(gè)LD(鏈接腳本)文件控制編譯，將程序定位到實(shí)際的ROM和RAM資源中。為了調(diào)試方便，通常是通過(guò)BDM工具將內(nèi)核下載到目標(biāo)板SDRAM中運(yùn)行，調(diào)試通過(guò)后再固化到FLASH中。

RTOS是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)。應(yīng)用RTOS，可以使產(chǎn)品更可靠、功能更強(qiáng)大而開(kāi)發(fā)周期更短。μC/OS-II有著良好的實(shí)時(shí)性和很小的代碼量，并被廣泛移植到x86、68K、ColdFire、MPC 8xx、ARM、MIPS、C5409等許多處理器上。數(shù)百個(gè)成功的商業(yè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明μC/OS-II是一個(gè)穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，因此將μC/OS-II移植到MCF5272具有很強(qiáng)的實(shí)用前景。