典型范例：uCOSii在Coldfire MCF52235上的移植

引言

C/ OS 是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。內(nèi)核源代碼公開(kāi)、短小精干、可裁剪、執(zhí)行時(shí)間可確定, 可移植性較強(qiáng), 非常適用于一些中小型嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。uC/OS 可以移植到8~ 64 位的不同類(lèi)型、不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng), 并能在大部分的8 位、16 位、32 位, 甚至64 位的微處理器和DSP上運(yùn)行[ 1] 。

MCF52235 是飛思卡爾公司Co ldf ire 系列32 位單片機(jī)解決方案的嵌入式微控制器, 采用的是V2 版本的

RISC 內(nèi)核。MCF52235 內(nèi)部有32 KB SRAM 和256 KB FLASH, 并且集成了標(biāo)準(zhǔn)的Coldfire 外圍設(shè)備, 包括三個(gè)適合中長(zhǎng)距離通信的SCI, 一個(gè)I2 C 和一個(gè)用于系統(tǒng)內(nèi)部和外圍設(shè)備通信的Q SPI。在60Hz的核心頻率下, MCF52235 的處理能力為56 MIPS, 具備較高的性能價(jià)格比[ 24] 。MCF52235 對(duì)于移植C/ OS 來(lái)說(shuō)有足夠的

RAM 和FLASH, 且有較快的處理速度和較低的成本,所以對(duì)于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō), 嵌入C/ OS

到MCF52235 微控制器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。uC/ OS 的體系結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)C/ OS 向MCF52235 的移植, 需要做兩方面的工作: 一是重新定義內(nèi)核的大小和功能; 二是為內(nèi)核編寫(xiě)與硬件相關(guān)的代碼。C/ OS 的文件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。可以看到, C/ OS 與CPU 類(lèi)型無(wú)關(guān)的C 代碼文件COS . C 包括很多文件, 它們是C/ OS 的內(nèi)核和很多功能函數(shù), 其中前三個(gè)文件是實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理和時(shí)鐘節(jié)拍, 這三個(gè)文件是一定要用的。后面6 個(gè)功能函數(shù)用于任務(wù)間的通信, 應(yīng)用程序中可能只用到其中

的幾個(gè), 不用的可以不包含進(jìn)去, 以免編譯時(shí)生成沒(méi)用的代碼。這部分代碼與CPU 類(lèi)型無(wú)關(guān), 在移植時(shí), 這些文件不要改動(dòng)。配置文件OS_CFG. H 需要根據(jù)應(yīng)用要求來(lái)進(jìn)行,主要作用是確定C/ OS 提供的系統(tǒng)功能函數(shù), 應(yīng)用

程序用哪些和不用哪些, 這個(gè)文件移植時(shí)需要修改。與CPU 類(lèi)型有關(guān)的代碼文件主要有三個(gè): OS _CPU. H, OS_CPU_A. ASM 和OS_CPU_C. C。文件定義用于特定CPU 的數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)定義相關(guān)的宏。OS _CPU_A . ASM 是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的與硬件有關(guān)的代碼,OS_CPU_C. C 是用C 語(yǔ)言寫(xiě)的與硬件有關(guān)的代碼。由于移植使用C 交叉編譯工具, 在C 代碼中可以插入?yún)R編語(yǔ)句, 在移植中可將這兩個(gè)文件合并成一個(gè)文件[ 5] 。

產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍的定時(shí)中斷來(lái)自微控制器內(nèi)部, 但并非來(lái)自V2 內(nèi)核內(nèi)部, 可以用實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生定時(shí)中斷,

也可以用片內(nèi)的外設(shè)模塊定時(shí)器單元來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷,這部分代碼顯然與硬件相關(guān), 移植時(shí)要自己寫(xiě)[ 6] 。

2 移植過(guò)程

所謂移植, 就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為了方便移植, 大部分的C/ OS代碼是用C 語(yǔ)言寫(xiě)的, 但仍需要用C 和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼, 這是因?yàn)镃/ OSII 在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn) 。移植過(guò)程主要包括移植前的準(zhǔn)備、BSP ( 板級(jí)支持包) 的編寫(xiě)和與處理器相關(guān)代碼的修改和編寫(xiě)。C/OS 核心代碼、與CPU 相關(guān)的接口程序、BSP 和用戶(hù)應(yīng)用程序之間的關(guān)系如圖2 所示。

2. 1 移植前的準(zhǔn)備

進(jìn)入C/ OS 官方網(wǎng)站下載C/ OS 源代碼。打開(kāi)Codew arrior 6. 4 建立MCF52235 的工程文件, 然后把C/ OS 的源代碼文件加入到工程里面[ 8] 。其中有幾個(gè)地方需要改動(dòng):

( 1) 下載的源代碼中os_cfg _r. h 改為o s_cfg. h;os_dbg_r. c改為os_dbg. c。

( 2) 由于會(huì)引起重復(fù)定義錯(cuò)誤, 需要把源代碼中重復(fù)包含的文件注釋掉。

( 3) 需要在INT ERNAL_FLASH 模式下編譯, 而不能在RAM 模式下, 否則會(huì)產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤。

2. 2 編寫(xiě)B(tài)SP

板級(jí)支持包( BSP) 是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次, 負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)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)具體的硬件[ 9] 。在此建立兩個(gè)BSP 文件: BSP. ASM 和BSP. C。其中, BSP. ASM 中包含了匯編語(yǔ)言寫(xiě)的中斷接口程序。BSP. C 中包含了硬件和軟件的初始化程序和產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)程序。

2. 3 與處理器相關(guān)代碼的修改和編寫(xiě)

有三個(gè)與處理器相關(guān)的文件, 即OS_CPU . H, OS_CPU _ A. ASM 和OS _ CPU _ C. C 需要修改。由于MCF52235 有eMAC 模塊, 所以還需要編寫(xiě)OS_CPU _I. ASM 文件, 用來(lái)在任務(wù)切換和中斷時(shí)以及中斷返回

時(shí)保存和恢復(fù)相關(guān)寄存器。

2. 3. 1 OS_CPU. H 的移植

OS_CPU. H 包含了一些與處理器和編譯器相關(guān)的宏定義和數(shù)據(jù)類(lèi)型定義。由于使用Codew arrior 編譯

器, shor t 類(lèi)型是16 位的, int 類(lèi)型是32 位的。MCF52235 的堆棧是32 位寬的, 因此OS_STK 定義為

32 位, 所有任務(wù)的堆棧必須聲明使用OS_ST K 這種數(shù)據(jù)類(lèi)型。數(shù)據(jù)類(lèi)型定義如下:

ty pedef unsigned char BOOLEAN;

ty pedef unsigned char INT 8U;

ty pedef signed char INT8S;

ty pedef unsigned sho rt INT16U;

ty pedef signed shor t INT16S;

ty pedef unsigned int INT32U;

ty pedef signed int INT32S;

typedef floatFP32;

typedef double FP64;

typedef unsigned int OS_STK;

typedef unsigned shor t OS_CPU_SR;

( 1) 臨界區(qū)域處理。像所有的實(shí)時(shí)性?xún)?nèi)核一樣, 在進(jìn)入代碼臨界區(qū)時(shí)要關(guān)中斷, 完成時(shí)要開(kāi)中斷。C/

OS 定義了兩個(gè)宏來(lái)關(guān)閉和使能中斷: OS_ENT ER_CRITICAL( ) 和OS_EXIT _CRIT ICAL( ) 。C/ OS定義了三種方法來(lái)關(guān)閉和使能中斷, 大多數(shù)情況下選擇第三種方法。

# define OS_CRITICAL_METH OD # 3

# define OS_ENTER_CRITICAL( ) { cpu_sr = OS _CPU_

SR_Save( ) ; } / / 關(guān)中斷

# def ineOS _ EXIT _ CRITICAL( ) { OS _ CPU _ SR_ Resto re

( cpu_sr) ; } / / 開(kāi)中斷

( 2) 任務(wù)層上下文切換。當(dāng)C/ OS 調(diào)用OS _TASK_SW( ) 時(shí)發(fā)生任務(wù)層的上下文切換。因?yàn)樯舷?/p>

文切換是根據(jù)處理器的不同而不同的, 所以需要執(zhí)行一個(gè)匯編的函數(shù)。在這種情況下, 用TRA P 指令來(lái)產(chǎn)

生一個(gè)異常, 用T RAP 指令的優(yōu)點(diǎn)是能使它像發(fā)生了一次中斷一樣。這里用# 14 T RAP, 因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況

下, # 15 TRAP 被調(diào)試和監(jiān)控程序保留了。# 14TRAP 定位于VBR+ 0x00B8, 然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的地址。

在這個(gè)向量處放置OSCtx Sw( ) 的地址。這個(gè)函數(shù)聲明在OS_CPU_A. ASM 里。VBR 代表向量基址寄存器,

包含異常向量表的基址, 程序開(kāi)始時(shí)被初始化為0x00000000, 但是在運(yùn)行時(shí)可以改變。

# define OS_TASK_SW( ) asm( T RAP # 14; )

( 3) 堆棧的增長(zhǎng)方向。MCF52235 的堆棧增長(zhǎng)方向是從高地址向低地址, 因此OS _ST K_GROWTH 置

為1。

# define OS_STK_GROWTH 1

2. 3. 2 OS_CPU _C. C 的移植

OS_CPU_C. C 里面包含10 個(gè)比較簡(jiǎn)單的C 語(yǔ)言函數(shù), 一般來(lái)說(shuō)C/ OS 只需要OST askStkInit ( ) 。其他函數(shù)是用來(lái)讓用戶(hù)在自己的程序里擴(kuò)展操作系統(tǒng)功能的。如果需要使用這些函數(shù), 需要在OS_CFG. H 里設(shè)置OS_CPU _HOOKS_EN 為1。堆棧的初始化: OSTaskStkInit ( ) 雖然是用C 語(yǔ)言編

寫(xiě)的, 但它是一個(gè)與CPU 硬件相關(guān)的函數(shù)。這個(gè)函數(shù)功能是初始化任務(wù)的堆棧, 由建立任務(wù)函數(shù)OSTask

Create( ) 或擴(kuò)展地建立任務(wù)函數(shù)OSTaskCreateExit ( ) 調(diào)用。任務(wù)堆棧初始化的實(shí)質(zhì)就是模擬一次中斷, 使堆?？雌饋?lái)就像剛發(fā)生過(guò)中斷一樣。任務(wù)堆棧中保存了任務(wù)代碼的起始地址和一些CPU 寄存器的值, 一旦條件滿(mǎn)足, 就可以執(zhí)行該任務(wù)。初始化后的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2. 3. 3 OS_CPU_A. ASM 的移植

這個(gè)文件包含5 個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的匯編函數(shù), 因?yàn)橐话悴荒苡肅 語(yǔ)言來(lái)保存和恢復(fù)寄存器。

( 1) OS_CPU_SR_Save( )

這個(gè)函數(shù)是通過(guò)保存中斷屏蔽寄存器, 然后關(guān)閉中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)OS_CRITICAL_MET HOD # 3 的。當(dāng)函數(shù)返回時(shí), D0 包含了狀態(tài)寄存器的內(nèi)容, 里面包含當(dāng)前的中斷關(guān)閉狀態(tài)。這個(gè)返回值被調(diào)用函數(shù)保存到變量

cpu_sr 中。

( 2) OS_CPU_SR_Restore( )

這個(gè)函數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)中斷屏蔽到調(diào)用OS _ENTER_CRITICAL( ) 之前的狀態(tài)。也就是說(shuō)調(diào)用OS_

ENTER_CRITICAL( ) 之前中斷是關(guān)閉的, 那么在OS_EXIT_CRITICAL( ) 之后, 中斷是關(guān)閉的。

( 3) OSStartHighRdy( )

這個(gè)函數(shù)被OSStar t ( ) 調(diào)用來(lái)運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。OSStar t ( ) 設(shè)置OSTCBHighRdy 指向優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的OS _T CB。一旦從OSTaskSwHoo k( ) 返回,就把OSRunning 設(shè)為OS_T RU E, 它表明現(xiàn)在RT OS

將要運(yùn)行。從最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的OS_T CB 中恢復(fù)堆棧指針, 然后從任務(wù)堆棧里取出CPU 寄存器。最后執(zhí)行

一個(gè)RET 指令, 這個(gè)指令可以從堆棧中彈出SR 和PC,現(xiàn)在的任務(wù)代碼就開(kāi)始執(zhí)行。

( 4) OSCtx Sw( )

當(dāng)一個(gè)任務(wù)不再運(yùn)行時(shí)就會(huì)發(fā)生一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換, 比如任務(wù)調(diào)用一個(gè)延遲10 個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的函數(shù)。

這時(shí), C/ OS 需要找出下一個(gè)最重要的任務(wù)準(zhǔn)備去運(yùn)行。OSCtx Sw ( ) 的功能是保存需