μC／OS-III在Cortex-M3處理器上的移植

摘要：為了將μC／OS-III移植到Cortex-M3處理器上，選用RealView MDK作為軟件開發(fā)平臺，針對Cortex-M3處理器特性編寫了移植所需的C語言和匯編語言源代碼，并驗(yàn)證了移植的正確性。移植后的μC／OS-III能夠穩(wěn)定運(yùn)行于Cortex-M3處理器上。該移植對大部分Cortex-M3處理器具有通用性，對其他架構(gòu)處理器的μC／OS-III移植具有參考作用。
關(guān)鍵詞：μC／OS-III；嵌入式操作系統(tǒng)；ARM；Cortex-M3；移植

引言
    μC／OS-III是一款基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實(shí)時內(nèi)核，Micrium公司于2011年8月公開了μC／OS-III的源碼，其源碼遵循ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，因而具有良好的移植性，相信其將會被移植到越來越多的處理器體系上。本文主要完成基于Cortex-M3處理器的μC／OS-III移植，通過本次移植，加深對嵌入式操作系統(tǒng)原理的理解。此外，在μC／OS-III移植成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)，可以把主要精力集中到應(yīng)用程序上，而硬件資源交由μC／OS-III管理，從而使得嵌入式應(yīng)用程序更易開發(fā)和維護(hù)，在嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜的今天具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 μC／OS-III和Cortex-M3特點(diǎn)
    相對以前的版本，μC／OS-III最大改進(jìn)之處在于允許多個任務(wù)運(yùn)行于同一優(yōu)先級上，相同優(yōu)先級的任務(wù)按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，內(nèi)核對象的數(shù)量不受限制，以及接近于零的中斷禁用時鐘周期。
    Cortex-M3是ARM公司推出的基于ARMv7-M架構(gòu)的內(nèi)核，主要針對高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用。Cortex-M3擁有固定的存儲器映射，采用更高效的NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)、更簡單的堆棧以及更高性能的指令集，且NVIC(包括SysTick)的寄存器位置固定，極大地方便了μC／OS-III的移植及在基丁Cortex-M3內(nèi)核的處理器之間的遷移。

2 移植
2．1 移植方案
    本文移植μC／OS-III內(nèi)核的版本為V3．02．00，其源代碼下載地址見參考文獻(xiàn)。選用意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6微控制器作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺，而編譯環(huán)境采用RealViewMDK V3．5。
    Cortex-M3支持兩種特權(quán)級別：特權(quán)級和用戶級，μC／OS-III內(nèi)核和用戶代碼都運(yùn)行于特權(quán)級下。Cortex-M3還支持兩個棧指針MSP和PSP，μC／OS-III內(nèi)核和ISR(Interrupt Service Routine)使用MSP，μC／OS-III的任務(wù)則使用PSP。
    首先針對Conex-M3處理器的特性編寫與內(nèi)核、CPU和BSP(Board Support Package)相關(guān)的源代碼，然后創(chuàng)建若干個簡單的用戶任務(wù)，在具體的硬件平臺上測試移植后的μC／OS-III。
2．2 內(nèi)核相關(guān)
2．2．1 編寫os_cpu．h
    os_cpu．h頭文件主要是對上下文切換函數(shù)和時間戳獲取函數(shù)進(jìn)行宏定義。μC／OS-III的上下文切換包括兩種類型：任務(wù)級上下文切換OS_TASK_SW()和中斷級上下文切換OSIntCtxSw()。它們使用相同的代碼置位ICSR．PENDSVSET以懸起PendSV異常，由PendSV的ISR“緩期執(zhí)行”上下文切換。
    OS_TS_GET()的作用是獲取當(dāng)前時間戳，若使能μC／OS-III的時間戳功能，則將OS_TS_GET()宏定義為CPU_TS_TmrRd()，否則簡單地宏定義為0。
2．2．2 編寫os_cpu_a．a(chǎn)sm
    在os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中需要用匯編指令實(shí)現(xiàn)OSStartHighRdy()函數(shù)和PendSV的ISR。OSStartHighRdy()函數(shù)被內(nèi)核用于調(diào)度第一個最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)，以開始多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境，匯編代碼實(shí)現(xiàn)如下：
   
    Cortex-M3支持PendSV異常，而PendSV異常的典型應(yīng)用場合就是上下文切換。得益于Cortex-M3的中斷機(jī)制，μC／OS-III上下文切換只需保存和恢復(fù)R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自動保存和恢復(fù)。PendSV的ISR匯編代碼如下：
    [!--empirenews.page--]
      
2．2．3 編寫os_cpu_c．c
    os_cpu_c．c文件包含了OSTaskStkInit()函數(shù)和若干鉤子函數(shù)。OSTaskStkInit()函數(shù)的作用是在創(chuàng)建任務(wù)時初始化任務(wù)棧，并返回新的棧頂位置。μC／OS-III基于Cortex-M3的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五個寄存器應(yīng)賦予正確的初值，而其他11個寄存器的初值無關(guān)重要。

    os_cpu_c．c文件中的鉤子函數(shù)是μC／OS-III為了擴(kuò)展用戶功能而定義的。進(jìn)行μC／OS-III移植時至少需要定義OSTaskSwHook()、OSIn itHook()、OSTimeTickHook()、OSIdleTaskHook()、OSStatTaskHook()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskReturnHook()
八個鉤子函數(shù)。為了簡單起見，本次移植不塒鉤子函數(shù)作功能擴(kuò)展。
2．3 CPU相關(guān)
2．3．1 編寫cpu. h
    cpu．h頭文件主要包括對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型、字長、棧、臨界區(qū)的相關(guān)定義。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型與具體的編譯器相關(guān)，需要查閱相應(yīng)的編譯器手冊。Cortex-M3字長是32位，則CPU_DATA和CPU_ADDR皆定義為CPU_INT32U類型。Cortex-M3使用滿降序棧，棧增長方向應(yīng)為從高地址到低地址。臨界區(qū)方法選用CPU_CRITICAL_METHOD_STATUS_LOCAL。
2．3．2 編寫cpu_a．a(chǎn)sm
    cpu_a．a(chǎn)sm文件的最主要部分是臨界區(qū)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所選用的臨界區(qū)方法，中斷使能函數(shù)CPU_SR_Save()和中斷禁用函數(shù)CPU_SR_Res tore()代碼實(shí)現(xiàn)如下：
   
    Cortex_M3的指令集提供了CLZ指令，則可選地使用匯編指令實(shí)現(xiàn)CPU_CntLeadZeros()函數(shù)，以加快μC／OS-III調(diào)度器查找最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)的速度，CPU_CntLeadZeros()函數(shù)匯編代碼實(shí)現(xiàn)如下：
    CPU_CntLeadZeros
        CLZ R0，R0
        BX LR[!--empirenews.page--]
2．4 BSP
    Cortex-M3內(nèi)核包含了一個SysTick定時器，可以用來給μC／OS-III提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。SysTick初始化和ISR的源代碼實(shí)現(xiàn)分別如下：
   
  
    μC／OS-III新增了時間戳功能，用于測量中斷禁用時長、代碼執(zhí)行時長和確定事件發(fā)生時間等。時間戳定時器可以由DWT(Data Watchpo int and Tracc)的時鐘周期計數(shù)器CYCCNT充當(dāng)，該計數(shù)器是一個自由運(yùn)行的32位遞增計數(shù)器，溢出時自動重載為0，周而復(fù)始。時間戳定時器初始化和讀取函數(shù)源代碼實(shí)現(xiàn)分別如下：
   
    此外，本移植過程的BSP還涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函數(shù)和驅(qū)動程序。

3 測試
    首先不加任何用戶任務(wù)來測試移植好的μC／OS-III內(nèi)核自身運(yùn)行情況，待驗(yàn)證內(nèi)核正常運(yùn)行之后，編寫TaskLed1、TaskLed2、TaskLe d3、TaskProfile四個任務(wù)，其中前3個任務(wù)被賦予相同的優(yōu)先級(本移植是假設(shè)使能了μC／OS-III的輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能)，實(shí)現(xiàn)對3盞LED燈不停地
閃爍；而TaskProfile的功能是在液晶屏上顯示上下文切換次數(shù)。

    運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。圖中3盞LED燈不停地閃爍，驗(yàn)證了μC／OS-III的相同優(yōu)先級任務(wù)輪轉(zhuǎn)調(diào)度的特征；LCD上顯示CtxSwCtr的值一直在增加，指示不斷發(fā)生上下文切換。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5個小時以上沒出現(xiàn)任何問題，可見本移植是成功的。

結(jié)語
    本文主要論述了基于Cortex-M3內(nèi)核處理器上μC／OS-III的移植過程并給出關(guān)鍵代碼，移植后的μC／OS-III能夠穩(wěn)定運(yùn)行于STM32F103RB T6處理器上。本移植能通用于大部分Cortex-M3內(nèi)核的處理器，并對于將μC／OS-III移植到其他體系結(jié)構(gòu)的處理器上具有參考價值。