uC/OS II在S3C2410上的移植

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)再度成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，其中嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)分別是其硬件和軟件的核心。
    ARM處理器由于其具有小體積、低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在16/32位嵌入式RISC解決方案中，幾乎占有嵌入式微處理器市場(chǎng)分額的75% ，本文選定三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T核的高性能低功耗SOC芯片S3C2410作為移植方案的硬件平臺(tái)。市場(chǎng)上主流的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有Vxworks、pSos、WinCE、Linux等，基于實(shí)時(shí)性、成本以及開發(fā)難度方面的考慮，我們選擇uC/OS II——開放源代碼的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
1 uC/OS II介紹
    uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式(見圖1)實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。為了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C語言進(jìn)行開發(fā)，并且已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP)。

 uC/OS II可以簡單的視為一個(gè)多任務(wù)調(diào)度器，在這個(gè)任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、郵箱等。其主要特點(diǎn)有公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。從1992年開始，由于高度可靠性、魯棒性和安全性，uC/OS II已經(jīng)廣泛使用在從照相機(jī)到航空電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用中。

2 uC/OS II在S3C2410上的可移植性
    所謂移植，就是使這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器上運(yùn)行。為了方便移植，大部分的uC/OS II代碼是用c語言寫的，但仍需要用c和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)閡C/OS II在讀寫處理器寄存器時(shí)只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)。由于uC/OS II在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以u(píng)C/OS II的移植相對(duì)來說是比較容易的。uC/OS II的框架結(jié)構(gòu)如圖2。

 uC/OSII的正常運(yùn)行需要處理器平臺(tái)滿足以下要求：
a)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。
b)用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷。
c)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10至100Hz之間)。
d)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧。
e)處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中的指令。
    S3C2410處理器采用ARM920T內(nèi)核，內(nèi)部共有37個(gè)寄存器，其中R13通常用作堆棧指針，只要系統(tǒng)RAM空間允許，堆?？臻g理論上沒有限制。ARM處理器提供ARM指令和Thumb指令兩種指令集，每種指令集都包含有豐富的指令對(duì)堆棧進(jìn)行操作，可以隨意的對(duì)處理器中的寄存器進(jìn)行堆棧操作。根據(jù)堆棧生長方向的不同，可以生成4種不同的堆棧，分別是滿遞增、空遞增、滿遞減(此移植中使用的是滿遞減方式)、空遞減。芯片內(nèi)集成5個(gè)定時(shí)時(shí)鐘，任何一個(gè)都可以產(chǎn)生定時(shí)中斷，滿足第三條要求。ADS集成開發(fā)環(huán)境的內(nèi)置編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，并且支持內(nèi)嵌匯編，C環(huán)境中可任意的進(jìn)行開關(guān)中斷操作。綜上所述uC/OS II完全可以移植到S3C2410上運(yùn)行。

3 主體移植過程
3.1 設(shè)置與處理器及編譯器相關(guān)的代碼[OS_CPU.H]
    不同的編譯器會(huì)使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型，所以要定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。下面是uC/OS II定義的一部分?jǐn)?shù)據(jù)類型。
typedef unsigned char BOOLEAN；
typedef unsigned char INT8U；/*無符號(hào)8位*/
typedef signed char INT16S；/*帶符號(hào)8位*/
typedef unsigned int INT16U；/*無符號(hào)16位*/
typedef signed int INT16S；/*帶符號(hào)16位*/
typedef unsigned long INT32U；/*無符號(hào)32位數(shù)*/
typedef signed long INT32S；/*帶符號(hào)32位數(shù)*/
typedef float FP32；/*單精度浮點(diǎn)數(shù)*/
typedef double FP64；/*雙精度浮點(diǎn)數(shù)*/
typedef unsigned int OS_STK；/*堆棧入口寬度*/
typedef unsigned int OS_CPU_SR；/*寄存器寬度*/
    uC/OS II需要先關(guān)中斷再訪問臨界區(qū)的代碼，并且在訪問完后重新允許中斷。uC/OS II定義了兩個(gè)宏來禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，本移植實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)宏的匯編代碼。
#define OS_ENTER_CRITICAL()(cpu_sr=OSCPUSaveSR())/*Disable interrupts*/
#define OS_EXIT_CRITICAL()(OSCPURestoreSR(cpu_sr))/*Enable interrupts*/
EXPORT OSCPUSaveSR
OSCPUSaveSR
mrs r1,cpsr
mov r0,r1
orr r1,r1,#0xc0
msr cpsr_cxsf,r1
mov pc,lr
EXPORT OSCPURestoreSR
OSCPURestoreSR
msr cpsr_cxsf,r0
mov pc,lr

3.2 用C語言實(shí)現(xiàn)與處理器任務(wù)相關(guān)的函數(shù)[OS_CPU_C.C]
OSTaskStkInit()
OSTaskCreateHook()
OSTaskDelHook()
OSTaskSwHook()
OSTaskStatHook()
OSTimeTickHook()
    實(shí)際需要修改的只有OSTaskStkInit()函數(shù)，其他五個(gè)函數(shù)需要聲明，但不一定有實(shí)際內(nèi)容。這五個(gè)函數(shù)都是用戶定義的，所以O(shè)S_CPU_C.C中沒有給出代碼。如果需要使用這些函數(shù)，可以將文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設(shè)為1，設(shè)為0表示不使用這些函數(shù)。
    OSTaskStkInit()函數(shù)由OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調(diào)用，需要傳遞的參數(shù)是任務(wù)代碼的起始地址、參數(shù)指針(pdata)、任務(wù)堆棧頂端的地址和任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，用來初始化任務(wù)的堆棧，初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)。堆棧初始化工作結(jié)束后，OSTaskStkInit()返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將指針保存在任務(wù)的OS_TCB中。調(diào)用OSTaskStkInit()給任務(wù)做一個(gè)初始的任務(wù)上下文堆棧，形狀如圖3。

3.3 處理器相關(guān)部分匯編實(shí)現(xiàn)
    整個(gè)uC/OS II移植實(shí)現(xiàn)中，只需要提供一個(gè)匯編語言文件，提供幾個(gè)必須由匯編才能實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。
a)OSStartHighRdy()
    該函數(shù)在OSStart()多任務(wù)啟動(dòng)之后，負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針sp，通過sp依次將CPU現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)，此時(shí)系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)的進(jìn)程，直到該任務(wù)被阻塞或者被其他更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占了CPU。該函數(shù)僅僅在多任務(wù)啟動(dòng)時(shí)被執(zhí)行一次，用來啟動(dòng)第一個(gè)，也就是最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行。
b)OSCtxSw()
    該函數(shù)是任務(wù)級(jí)的上下文切換函數(shù)，在任務(wù)因?yàn)楸蛔枞鲃?dòng)請(qǐng)求與CPU調(diào)度時(shí)執(zhí)行，主要工作是先將當(dāng)前任務(wù)的CPU現(xiàn)場(chǎng)保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧指針，從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場(chǎng)，使之繼續(xù)執(zhí)行，從而完成一次任務(wù)切換。
C)OSIntExit()
    該函數(shù)是中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，在時(shí)鐘中斷ISR中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在等待時(shí)，需要在中斷退出后不返回被中斷的任務(wù)，而是直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行。其目的在于能夠盡快讓高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
d)OSTickISR()
    該函數(shù)是時(shí)鐘中斷處理函數(shù)，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時(shí)鐘中斷，調(diào)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的OSTimeTick函數(shù)，如果有等待時(shí)鐘信號(hào)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則需要在中斷級(jí)別上調(diào)度其執(zhí)行。另外兩個(gè)相關(guān)函數(shù)是OSIntEnter()和OSIntExit()，都需要在ISR中執(zhí)行。

4 測(cè)試
    至此代碼移植過程已經(jīng)完成，下一步工作就是測(cè)試。測(cè)試一個(gè)象uC/OS II一樣的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核并不復(fù)雜，甚至可以在沒有應(yīng)用程序的情況下測(cè)試。換句話說，就是讓這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核在目標(biāo)板上跑起來，讓內(nèi)核自己測(cè)試自己。這樣做有兩個(gè)好處：第一，避免使本來就復(fù)雜的事情更加復(fù)雜；第二，如果出現(xiàn)問題，可以知道問題出在內(nèi)核代碼上而不是應(yīng)用程序。剛開始的時(shí)候可以運(yùn)行一些簡單的任務(wù)和時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)例程。一旦多任務(wù)調(diào)度成功地運(yùn)行了，再添加應(yīng)用程序的任務(wù)就是非常簡單的工作了。

5 結(jié)束語
    采用基于ARM9的S3C2410嵌入式微處理器，可以使系統(tǒng)具備高性能的運(yùn)算能力的同時(shí)便于與各種外設(shè)連接擴(kuò)展，簡化了硬件設(shè)計(jì)，維持小型化的同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。uC/OS II作為一個(gè)源代碼公開的操作系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，并且支持uIP TCP/IP協(xié)議棧、ucGUI等，可擴(kuò)展性強(qiáng)，功能強(qiáng)大。本系統(tǒng)采ARM9+uC/OS II開發(fā)設(shè)計(jì)，具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷。