在CodeWarrior編譯環(huán)境下運行μC／OS—III

摘要：μC／OS—II是面向8／16位及低端32位單片機應用的RTOS，而新近推出的μC／OS—Ⅲ則面向高性能32位單片機，如ARM Cortex等。以Cortex—M4為內核的Kinetis系列單片機，不僅用于全國大學生飛思卡爾杯智能車競賽，也用于諸多大學的嵌入式系統教學，官方提供的開發(fā)環(huán)境是CodeWarrior。本文介紹如何利用CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，將μC／OS—III在Kinetis單片機上運行起來，以便將μC／OS—III引入教學、科研與應用。
關鍵詞：μC／OS—III；Kinetis CodeWarrior

引言
    Kinetis系列是飛思卡爾公司基于ARM Cortex—M4和Cortex—M0+內核的單片機，和Cortex—M3相比，M4內核主要增加了DSP運算指令和可選的浮點運算單元，同時保持了與Cortex—M3的兼容性，因此被寄予希望能逐步替代Cortex—M3。Kinetis也成為飛恿卡爾杯全國大學生智能車競賽新的硬件平臺之一。
    μC／OS—Ⅲ是Micrium公司推出的全新RTOS，特別適用于那些有計算前導零(CLZ)硬件指令的高端32位CPU，可大大加速就緒表查找速度μC／OS—II的主要精華在于其巧妙的優(yōu)先級軟件查表算法，而對于有CLZ硬件算法指令的CPU，如MIPS、PowerPC、ARM11及以上系列，仍使用μC／OS一Ⅱ就不那么合理了。μC／OS—III源代碼公開，官方已提供對目前主流單片機的移植支持，并且針對幾大主流單片機都提供相應的教材，Kinetis就是其中之一。Micrium官方提供的基于Kinetis平臺的范例都是使用IAR作為集成開發(fā)環(huán)境的，考慮到飛思卡爾官方的Code Warrior開發(fā)環(huán)境有著廣泛的用戶群，尤其是使用過S08／S12等單片機的用戶，大多熟悉CodeWarrior。因此，本文將以Kinetis平臺為例，講述如何使用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境將μOS—III運行起來，作為應用開發(fā)的基礎，也便于那些教學中使用CodeWarrior編譯器的師生，將μC／OS—Ⅲ引入嵌入式系統教學。

1 CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境
    Kinetis包括K，X、L三大系列，K和X系列是基于Cortex—M4內核，而L系列是基于Cortex—M0+內核。K系列又包括K10～K70多個子系列，不同系列側重點不同，如K10是基準系列，K20帶USB，K60帶以太網。因為內核一樣，只是外設不同，因此μC／OS—III的移植都是通用的。本文以清華大學飛恩卡爾培訓中心為全國大學生智能車競賽提供的K10開發(fā)套件為例進行說明。
    針對Kinetis的CodeWarrior軟件版本為V10．x，可從官方網站下載免費教學版本。新版的CodeWarrior基予Eclipse開發(fā)環(huán)境，支持S08／S12／ColdFire／Kinetis等系列單片機。本文使用的CodeWarrior版本為V10．2Special Edition。
    最新版本的μC／OS—III源代碼可從Micrium公司官方網站下載，網站上的“Source code”欄目提供的只是內核的源代碼，不包括移植部分，也沒有相關的范例，而“μC／OS—III Books”欄目里可下載針對不同單片機的電子版教材及配套的范例工程。本文使用官方為Kinetis提供的IAR環(huán)境下的工程范例為參考。

2 μC／OS-Ⅲ的目錄結構
    μC／OS—III的代碼組織中，除了內核相關的代碼文件外，還有兩個獨立的組件——μC／CPU和μC／LIB。μC／CPU用來封裝一個CPU的屬性，定義了與編譯器和CPU相關的數據類型、寄存器的位寬、大小端格式、堆棧的增長方式、開關中斷的函數等等。換句話說，也就是把原來
μC／OS里的一些CPU硬件相關的定義和函數獨立成為一個組件，這樣，代碼的結構就更加清晰。而μC／LIB是一個基礎的函數庫，不依賴于任何的處理器和編譯器，主要包括一些字符串處理函數、數學相關函數，以及內存管理相關的函數。μC／OS—III依賴于μC／CPU和μC／LIB，
因此工程中必須包括μC／CPU和μC／LIB的相關文件才能完成編譯。
    圖1展示了一個典型工程的文件結構。其中，μC／OS—III、μC／CPU、μC／LIB和配置文件部分都是必須的，加粗斜體的文件表示是需要移植的。lib_mem_a．asm文件是用匯編語言編寫的優(yōu)化的內存分配函數，可以不要(lib_cfg．h里的宏LIB_MEM_CFG_OPTIMIZE_ASM_EN要設置為0)。配置相關的頭文件必需的有4個，其中，μC／OS—III、μC／CPU和μC／LIB三個組件各有一個對應的配置文件，還有一個是os_cfg_ app．h。os_cfg．h和os_cfg_app．h都是μC／OS—Ⅲ相關的配置文件，前者主要是功能的配置，如是否使用信號量、是否使用時間片輪轉調度、是否進行參數檢查等等；后者主要是內核資源的配置，如空閑任務、時鐘節(jié)拍任務的堆棧大小、信號量、消息隊列等內核資源的數量等。“板級支持包”和“用戶程序”里列出的文件并不是必需的，只是一個范例。板級支持包用來定義與開發(fā)板硬件相關的功能函數，如硬件韌始化函數、I／O操作函數、串口服務函數等等。使用板級支持包可以使代碼結構更清晰，方便代碼共享。

    從Micrium網站下載針對Kinetis的教材配套的范例工程壓縮包，解壓后目錄結構如圖2所示。Micrium公司的代碼組織結構非常清晰，對于程序開發(fā)人員來說是一個很好的參考。其中，uCOS-III、uC—CPU、uC—LIB三個文件夾下分別包含了該模塊對應的代碼，底下各有一個Cfg文件夾，里面包括了該模塊配置頭文件的模板。而移植相關的部分代碼文件都是按“CPU＼編譯器”的目錄結構來組織，如uC—CPU下的ARM—Cortex—M4＼IAR。EvalBoards文件夾是范例工程所在，按照“開發(fā)板＼編譯器”的結構組織。

3 Codewarrior環(huán)境下運行μC／OS-Ⅲ步驟
3．1 建立新工程
    把圖2中所述的解壓后的Micrium文件夾放到不含中文的路徑下(如E：＼)，在EvalBoards文件夾下新建K10DEVKIT文件夾，表示我們的K10核心開發(fā)板。在K10DEVKIT下再新建CodeWarrior文件夾，表示使用CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，該文件夾將作為工程項目的工作空間(works pace)。在CodeWarrior下再建立BSP文件夾，作為K10DEVKIT的板級支持包。

    啟動CodeWarrior V10．2，將workspace切換到剛才建立的K10DEVKIT＼CodeWarrior文件夾，軟件會重啟并彈出向導頁面，選擇新建工程，然后按照提示一步步直到完成，中途需要選擇單片機的型號和調試工具。開發(fā)板使用的單片機是主頻100 MHz的PK10N512，調試器使用USBDM。新建立的工程中，軟件會自動生成所需的初始化文件和調試配置文件，用戶可能用到的幾個文件說明如下：
   
3．2 添加文件
    如圖2所示，μC／OS—III和μC／CPU中需要移植的代碼文件都是放在“CPU＼編譯器”的目錄結構下，從官網下載的只有針對IAR編譯器的。首先，在需要移植的代碼目錄下各建立一個和IAR并列的CodeWarrior文件夾，表示針對CodeWarrior開發(fā)環(huán)境的移植，然后，把原來IAR開發(fā)環(huán)境下的移植文件全部拷貝到CodeWarrior文件夾下。在CodeWarrior開發(fā)環(huán)境下，部分移植文件需要修改，這將在后面講述。接下來需要把所有相關的代碼添加到CodeWarrior工程中。為了便于組織和管理文件，采用以下步驟：
    ①在CodeWarrior工程的Sources文件夾下建立以下子文件夾；uC—CPU、uC—LIB、uCOS—Ⅲ、Cfg、BSP、APP。uC—CPU、uC—LIB和uCOS—III用來存放該組件包含的文件，Cfg存放配置頭文件，BSP存放板級支持包相關文件，APP存放用戶代碼文件。這里提一下，除了APP和Cfg文件夾外，其他文件夾可采用“虛擬文件夾”形式，這樣，該文件夾并不實際存在于Sources目錄下，只是用來對文件進行分類管理。
    ②按照圖1所列的內容，把uC—CPU、uC—LIB和uCOS—III三個組件相關的．c和．asm文件添加到對應文件夾，包括移植部分的文件。當然，用戶也可以再新建一層子目錄區(qū)分移植部分和非移植部分。添加文件時有兩種方式：拷貝和鏈接。這里采用鏈接方式，不生成額外的拷貝，便于代碼的管理和更新。將圖1中“配置文件”列的幾個頭文件添加到Cfg文件夾(拷貝圖2中的模板文件)，這時采用拷貝方式，因為這些文件是應用相關的，不同工程有不同的配置。而其他無需修改的頭文件不添加到工程中，而是將其路徑加入到工程搜索路徑中，這在后面講述。添加完所有文件后的工程目錄如圖3所示。

3．3 修改文件
    前面提到，uC／OS—III和uC／CPU中需要移植的代碼文件在不同的編譯器下需要稍作修改。其中，C文件與編譯器無關，而匯編文件從IAR轉到CodeWarrior有幾個地方需要修改，這涉及cpu_a．asm和os_cpu_a．asm兩個文件，說明如下：
    ①在CodeWarrior的匯編文件中，默認標號都以“：”結尾，編譯指令都以“．”開頭。雖然也可以在工程設置里取消該限制，但還是建議按照該格式編寫代碼。因此，請檢查匯編代碼是否符合上述要求。
    ②在CodeWarrior的匯編文件中，聲明全局函數用的是．global，而IAR中用的是PUBLIC，如IAR中的“PUB-LIC OSStartHighRdy”應改為“．global OSStartHighRdy”。
    ③在匯編文件中，代碼前要進行代碼段的聲明，如IAR中的“RSEG CODE：CODE：NOROOT(2)”在CodeWarrior里應改為“．text，code”
3．4 添加頭文件路徑
    右鍵點擊工程名，選擇“Properties”→“C／C++Build”→“Settings”，在“ARM Compile”→“Input”頁面可以添加頭文件搜索路徑，把工程中用到的頭文件所在的路徑加上，添加時建議使用相對路徑(相對工程目錄)，如圖4所示。

3．5 修改中斷向量衰
    CodeWarrior自動生成的kinetis_sysinit．c文件包含了startup代碼和中斷向量表，把μC／OS—Ⅲ用到的兩個中斷向量加入中斷向量表，代碼如下：
   
    PendSV中斷和SysTick定時器集成于Cortex—M3／4內核中，專門用于OS的任務切換和時鐘節(jié)拍。因此，只要是使用Cortex—M3／4內核的單片機，這部分的移植代碼都是通用的。
3．6 代碼調試
    在進行μC／OS—III應用開發(fā)時，應先從最小系統開始調試。在配置文件里把不需要的功能先關掉，如消息隊列、信號量、hook函數、統計任務等。在用戶程序里執(zhí)行完硬件相關的初始化后，先建立一個簡單的任務(即起始任務)，然后測試任務調度是否正常。注意，這時在運行的還有μC／OS—III內部的空閑任務。
    如果任務調度正常，可在起始任務里初始化并打開時鐘節(jié)拍中斷，然后可通過斷點調試等手段測試時鐘中斷服務程序是否得到正確執(zhí)行。確認后可在起始任務里調用延時相關的函數，如以一定的頻率閃燈，或者向串口輸出信息。如果上述測試通過，那么意味著μC／OS—III已經運行起來了，接下來用戶就可以一步步按照應用需求進行開發(fā)了。

結語
    使用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境的讀者，只要按照以上步驟，即可在Kinetis系列單片機上完成μC／OS—III的編譯和運行。本文所講述的步驟也可用于其他開發(fā)環(huán)境，遵循Micrium官方的文件組織結構，可使得工程目錄結構清晰規(guī)范，方便代碼的升級和共享。