μCOS-II移植到ARM處理器上的幾個要點

時間：2018-09-06 19:20:02

關(guān)鍵字： arm處理器移植 μcos-ii

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[導(dǎo)讀]　　uCOS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫。總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植

　　uCOS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫?？偭考s200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植到任何一種其它的CPU上。

　　uCOS II最多可支持56個任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，并支持Semaphore（信號量）、Mailbox（郵箱）、MessageQueue（消息隊列）等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是，uCOS II公開所有的源代碼。并可以免費獲得，只對商業(yè)應(yīng)用收取少量License費用。

　　uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3個文件有關(guān)，中斷處理的移植占據(jù)了很大一部分內(nèi)容。作為移植的一個重點，本文以標(biāo)準(zhǔn)中斷（IRQ）為例討論了移植中的中斷處理。

　　1uCOS II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　uCOS II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1。應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層。每個任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨占了CPU，因而可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此uCOS II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)的代碼。uCOS II的移植需要滿足以下要求：

　　1）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼：可以使用C調(diào)用進入和退出Critical Code（臨界區(qū)代碼）；

　　2）處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；

　　3）處理器需能容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

　　4）處理器需有能在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

　　移植uCOS II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP（Board Support Package）的編寫。uCOS II處理器無關(guān)的代碼提供uCOS II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

　　2uCOS II移植過程中需要注意的幾個問題

　　uCOS II移植的中斷處理跟ARM體系結(jié)構(gòu)和uCOS II處理中斷的過程有關(guān)，必須注意這2個方面的問題才能高效移植。

　　2.1 ARM處理器7種操作模式

　　用戶模式（USER MODE）是ARM通常執(zhí)行狀態(tài)，用于執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序；快速中斷模式（FIQ MODE）支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或通道處理；中斷模式（IRQ MODE）用于通用中斷處理；超級用戶模式（SVC MODE）是一種操作系統(tǒng)受保護的模式：數(shù)據(jù)中止模式（ABT MODE）指令預(yù)取指中止、數(shù)據(jù)中止時進入該模式；未定義模式（UND MODE）當(dāng)執(zhí)行未定義的指令時進入該模式；系統(tǒng)模式（SYS MODE）是操作系統(tǒng)一種特許的用戶模式。

　　除了用戶模式之外，其他模式都歸為特權(quán)模式，特權(quán)模式用于中斷服務(wù)、異?；蛘咴L問受保護的資源。

　　特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式之外另5種模式又稱為異常模式，在移植過程中必須設(shè)置中斷向量表來處理異常。uCOS II的移植主要處理標(biāo)準(zhǔn)中斷（IRQ）、快速中斷（FIQ）和軟件中斷（SWI）。

　　2.2 uCOS II中斷響應(yīng)的過程

　　以IRQ中斷為例，假設(shè)CRPS中I_bit位為0，當(dāng)有IRQ中斷時，CPU強制進入IRQ模式，當(dāng)前的CPSR拷貝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以關(guān)閉IRQ中斷。數(shù)據(jù)保存之后，CPU強行從0X00000018開始執(zhí)行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR（）的地址，然后執(zhí)行OS_CPU_IRQ_ISR（）。在OS_CPU_IRQ_ISR（）中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）被調(diào)用來檢測中斷源并執(zhí)行中斷。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR（）又調(diào)用OSIntExit（）來確認(rèn)是否有比ISR優(yōu)先級更高的任務(wù)要執(zhí)行。如果當(dāng)前中斷任務(wù)仍然是優(yōu)先級最高的任務(wù)，OSIntExit（）返回，OS_CPU_IRQ_ISR（）彈出中斷堆棧，如果優(yōu)先級更高的任務(wù)需要執(zhí)行，OSIntExit（）調(diào)用OSIntCtxSw（）執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)。

　　2.3 uCOS II的臨界段代碼

　　uCOS II使用關(guān)中斷來保護臨界代碼。它定義了2個宏來開中斷（OS_EXIT_CRITICAL（）），關(guān)中斷（OS_ENTER_CRITICAL（））。OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）有3種方法來實現(xiàn)，uCOS II建議使用第3種方法可以保存當(dāng)前處理器狀態(tài)的值。

　　3uCOS II移植過程中的中斷處理

　　uCOS II中斷處理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有關(guān)，其移植過程主要有以下幾個步驟。

　　3.1在CRT.S中設(shè)置中斷向量表

　　ARM的中斷向量表位于ROM的最底部，其地址范圍為0X00000000～0X0000001C，設(shè)置如下：

　　VECTORS:LDR PC，RESET_ADDR

　　LDR PC，UNDEF_ADDR

　　LDR PC，SWI_ADDR

　　LDR PC，PABT_ADDR

　　LDR PC，DABT_ADDR

　　NOP

　　LDR PC，IRQ_ADDR

　　LDR PC，F(xiàn)IQ_ADDR

　　RESET_ADDR：。WORD RESET_HANDLER

　　UNDEF_ADDR：.WORD UNDEF—HANDLER

　　SWI_ADDR：.WORD SWI HANDLER

　　PABT_ADDR：.WORD PABT_HANDLER

　　DABT_ADDR：.WORD DABT_ HANDLER

　　WORD 0

　　IRQ_ADDR：.WORD IRQ_HANDLER

　　FIQ_ADDR：.WORD FIQ HANDLER

　　UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

　　SWI_HANDLER：B SWI_HANDLER

　　PABT_HANDLER：B PABT_HANDLER

　　DABT_HANDLER：B DABT_HANDLER

　　IRQ_HANDLER：B OS_CPU_IRQ_ISR

　　FIQ_HANDLER：B OS_CPU_FIQ_ISR

　　這里設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)中斷異常（IRQ）和快速中斷異常（FIQ）的中斷入口，其余異常都設(shè)置為死循環(huán)，當(dāng)發(fā)生這些異常的時候，必須使系統(tǒng)復(fù)位才能退出死循環(huán)。

　　3.2移植中斷任務(wù)切換

　　中斷任務(wù)切換（OSIntCtxSw）和任務(wù)切換函數(shù)（OSCtxSw）比較相似，主要有以下幾步組成：

　　1）調(diào)用OSTask SwHook（）

　　2）OSPrioCur=OSPrioHighRdy

　　3）OSTCBCur=OSTCBHighRdy

　　4）SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

　　//獲取高優(yōu)先級的任務(wù)堆棧指針

　　5）從高優(yōu)先級的任務(wù)的堆棧中彈出高優(yōu)先級的任務(wù)上下文

　　6）執(zhí)行高優(yōu)先級的任務(wù)

　　3.3移植中斷服務(wù)程序

　　以IRQ中斷為例中斷服務(wù)程序（OS_CPU_IRQ_ISR）主要依據(jù)上面所描述的“uCOS II中斷響應(yīng)的過程”編寫，其主要代碼如下：

　　……

　　LDR R0，OS_IntNesting

　　LDRB R1，［R0］

　　ADD R1，R1，#1

　　STRB R1，［R0］

　　CMP R1，#l

　　BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

　　LDR R4，OS_TCBCur

　　LDR R5，［R4］

　　STR SP，［R5］

　　OS_CPU_IRQ_ISR_1：

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | IRQ32_MODE）

　　//切換到SVC模式

　　LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | SVC32_MODE）

　　//切換到SVC模式

　　LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit（）

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　……

　　在代碼中省略了現(xiàn)場工作寄存器的保護與恢復(fù)及工作模式的切換。

　　3.4移植中斷處理程序

　　以IRQ中斷為例，移植中斷處理程序：

　　C程序

　　void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（void）{PFNCT pfnct; //定義中斷函數(shù)指針pfnct=（PFNCT）VICVectAddr; //獲取函數(shù)地址while（pfnct！=（PFNCT）0）{（*pfnct）（）；//調(diào)用中斷函數(shù)pfnct=（PFNCT）VICVectAddr；//獲取新的中斷函數(shù)} //所有中斷都執(zhí)行完畢退出}

　　中斷處理程序依賴中斷控制器的中斷響應(yīng)順序，所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）歸屬于用戶程序的一部分。在中斷返回之前，中斷處理程序要處理完所有的中斷響應(yīng)，以避免在多個中斷同時響應(yīng)或中斷處理過程中響應(yīng)中斷的情況下，進入OS_CPU_IRQ_ISR（）和退出OS_CPU_IRQ_ISR（）時，OS_CPU_IRQ_ISR（）耗盡保存CPU寄存器的堆棧空間。

　　另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）中不要清CPSR的I位來開放中斷，因為沒有必要使用中斷嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）在返回之前會檢查并處理所有的中斷。

　　3.5編寫中斷函數(shù)

　　中斷函數(shù)一般采用C語言編寫，uCOS II建議中斷函數(shù)應(yīng)盡量短，一般做法是在中斷函數(shù)中緩存數(shù)據(jù)，給任務(wù)發(fā)送一個信號來處理數(shù)據(jù)。中斷函數(shù)的地址在系統(tǒng)初始化的時候要置人中斷向量寄存器（VICVectAddr0～15）。由于向量中斷控制器（VIC）的特殊結(jié)構(gòu)，在中斷函數(shù)中要寫一次中斷向量寄存器（VICV粗體ectAddr）。

　　4中斷處理的應(yīng)用示例

　　uCOS II要提供周期性信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認(rèn)超時。節(jié)拍率應(yīng)為10～100 Hz。時鐘節(jié)拍源可以由專門的硬件定時器產(chǎn)生，以下就以IRQ中斷方式產(chǎn)生節(jié)拍源為示例。

　　初始化中斷控制器：

　　C程序

　　void VICInit（void）{

　　VICIntEnClr=0xfffff;

　　VICDefVectAddr=-（INT32U）Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0=（INT32U）OSTickISR;

　　VICVectCntl0=（0x20 | 0x04）;

　　VICIntEnable= 1《《4;

　　}

　　定時器0中斷函數(shù)：

　　C程序

　　void OSTickISR（void）

　　{

　　TO_IR = 0xff；

　　OSTimeTick（）；//調(diào)用OSTimeTick（）

　　VICVectAddr=0; //通知中斷控制器中斷結(jié)束

　　}

　　當(dāng)定時中斷發(fā)生時調(diào)用OS_CPU_IRQ_ISR Handler（），得到OSTickISR（）的地址并執(zhí)行，在OSTickISR（）中調(diào)用OSTimeTick（）為uCOS II提供周期性信號源。

　　此代碼在GNU工具鏈ARM-GCC下編譯通過，并在EasyARM2100開發(fā)實驗板上得到驗證。

　　通過示例講述了在uCOS II移植過程中的中斷處理所需要注意的幾個問題和通用方法，經(jīng)筆者在GNU工具鏈下編譯、調(diào)試，并在實驗板上得到很好的驗證。這種移植方案的中斷函數(shù)都使用C語言編寫，具有較好的移植性，有利于對不同需求的用戶進行中斷擴充，增強了中斷嵌套時uCOS II運行的穩(wěn)定性，使移植具有更好的通用性。

　　1設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（）ARMDisableInt（）

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（）ARMEnableInt（）

　　#define OS_STK_GROWTH 1

　　2用C語言編寫六個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU_C.C）

　　void *OSTaskStkInit（void（*task）（void *pd），void *pdata，void *ptos，INT16U opt）

　　{

　　unsigned int *stk;

　　opt = opt;

　　stk =（unsigned int *）ptos;

　　*--stk =（unsigned int）task;

　　*--stk = 0;