uC/OS-II在ADSP—BF531上的移植

摘要：介紹源代碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的特點(diǎn)、內(nèi)核結(jié)構(gòu)及ADSP—BF53l的硬件特征，同時(shí)給出將μC/0S-II移植到ADSP- BF531型數(shù)字信號(hào)處理器上的詳細(xì)步驟和關(guān)鍵代碼。 關(guān)鍵詞：RTOS;μC/OS-II;ADSP-BF53l;移植 引言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。通常，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分都應(yīng)用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱RTOS)，在特定的RTOS之上開發(fā)應(yīng)用軟件，可以讓程序開發(fā)人員屏蔽掉許多底層硬件細(xì)節(jié)，提高軟件功能設(shè)計(jì)效率，簡(jiǎn)化開發(fā)難度，同時(shí)使得程序調(diào)試方便，移植簡(jiǎn)單，易維護(hù)，大大縮短開發(fā)周期，RTOS也因此越來越受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞。目前實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很多，如VxWorks、Windows CE、pSOS等，但這些軟件的價(jià)格和使用成本(版權(quán)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等)都十分昂貴，因此商業(yè)級(jí)RTOS軟件在使用上受到諸多的限制。而μC/OS-II則不同，它的源代碼是全部公開的，并且完全免費(fèi)，是一個(gè)自由操作系統(tǒng)，程序開發(fā)人員可以改寫其中的源代碼使之符合自己的要求。由于其極強(qiáng)的可移植性和可裁減性，用戶可以根據(jù)自己的需要，裁剪掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧靈活，同時(shí)又能夠滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。μC/OS-II的可靠性完全可以與商業(yè)級(jí)RTOS軟件相媲美，因此筆者在移植過程中選用了這一實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 1 ADSP—BF531的硬件特征 Blackfin系列中的ADSP—BF531型數(shù)字信號(hào)處理器是由ADl和Intel公司合作，針對(duì)音頻和視頻信號(hào)的編解碼、手持設(shè)備和移動(dòng)通信設(shè)備而研發(fā)的16位定點(diǎn)處理器，是建立在微信號(hào)架構(gòu)基礎(chǔ)之上，集高性能數(shù)字信號(hào)處理器與微控制器于一身。ADSP-BF53l的內(nèi)核工作頻率最高可達(dá) 400MHz，處理器內(nèi)核中包含2個(gè)16位MAC、2個(gè)40位ALU及4個(gè)8位ALU。專門用于視頻信號(hào)的處理;還集成了許多片上外設(shè)，包括硬件 UART、SPI接口、PPI接口、同步串口、

看門狗電路、16個(gè)GPIO接口等。為了達(dá)到降低功耗的目的，該處理器具有多種工作模式，同時(shí)通過編程還可以動(dòng)態(tài)改變處理器內(nèi)核的工作頻率和電壓.這些特性都為手持設(shè)備提供了絕佳的選擇。用戶可以利用ADI公司提供的VisualDSP++3.0(或更高版本)集成開發(fā)環(huán)境對(duì)處理器進(jìn)行編程、調(diào)試和開發(fā)。 2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹 μC/OS-II是一種專門為微處理器設(shè)計(jì)的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、可移植性和可裁減性強(qiáng)、代碼可固化、穩(wěn)定性和可靠性高等特點(diǎn)。其內(nèi)核主要提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理等服務(wù)，系統(tǒng)最多可以支持64個(gè)任務(wù)(8個(gè)留于系統(tǒng))，每個(gè)任務(wù)均有自己獨(dú)立的優(yōu)先級(jí)。由于內(nèi)核為占先式的，因此總是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。系統(tǒng)提供了豐富的函數(shù)可供調(diào)用，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信和切換。μ/OS-II的大部分代碼都是使用標(biāo)準(zhǔn)的A-NIS C編寫的.只有與處理器相關(guān)的一部分代碼使用匯編語言.因此具有極強(qiáng)的移植性，在大多數(shù)8位、16位和32位處理器上都能穩(wěn)定的運(yùn)行。 圖1示出μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II的移植，必須為其編寫OS_CPU.H、0S_CPU_C.C和 OS_CPU_A.ASM 3個(gè)文件，這3個(gè)文件都與處理器的硬件特性相關(guān)，提供任務(wù)切換和系統(tǒng)時(shí)鐘功能。其余源文件的代碼都是公開的，可以直接從μC/OS-II的官方網(wǎng)站下載。 3對(duì)編譯器的要求 雖然μC/OS-II具有很強(qiáng)的移植性，但在移植時(shí)，對(duì)處理器的編譯器有如下幾點(diǎn)要求： 處理器的C編譯器能夠產(chǎn)生可重人代碼; 用C語言可以打開和關(guān)閉中斷; 處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷; 處理器能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧; 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?？臻g或內(nèi)存中的指令。 ADSP-BF531型處理器的集成開發(fā)環(huán)境Visu-al++3.0通過關(guān)鍵字asm能在C代碼中嵌入?yún)R編語言，同時(shí)內(nèi)核定時(shí)器可以為系統(tǒng)提供定時(shí)中斷，總數(shù)量達(dá)20kbyte的片上數(shù)據(jù)RAM和SP、FP、USP 3個(gè)堆棧指針寄存器為操作系統(tǒng)各任務(wù)提供了豐富的硬件堆?？臻g及對(duì)堆棧的方便操作。筆者正是在這些基礎(chǔ)上利用Visual++3.0編譯環(huán)境成功地完成了對(duì)ADSP-BF531處理器的μC/OS-II移植。 4 移植μJLC/OS-II 4.1重定義OS_CPIJ.H文件 4.1.1與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型 不同的處理器有不同的字長(zhǎng)，μC/OS-II不使用C的short、int、long等與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，而是重新定義了一系列類型以確保系統(tǒng)的可移植性，在系統(tǒng)移植時(shí)必須在OS_CPU.H頭文件中對(duì)這些數(shù)據(jù)類型重新定義，具體內(nèi)容如下： typedef unsigned char BOOLEAN typedef unsigned char INT8U typedef signed char INT8S typedef unsigned short INTl6U typedef signed short INTl6S typedef unsigned int INT32U typedef signed int INT32S μC/OS-II中的指針根據(jù)處理器堆棧數(shù)據(jù)入口寬度定義為OS_STK類型： typedef unsigned int OS_STK 4.1.2臨界代碼 RTOS在進(jìn)入系統(tǒng)臨界區(qū)之前都必須先關(guān)中斷，退出后再開中斷，μC/OS-II定義了2個(gè)宏指令來關(guān)閉/打開中斷：

#define OS_ENTER_CRITICAL0 asm(“cli%O：”：”=d”(InterrupLach)) #define OS_EXIT_CRITICAL() asm(“sti%0：”：：”=d”(InterrupLaeh)) 其中InterrupLaeh為一全局變量，用于開關(guān)中斷時(shí) IMASK寄存器內(nèi)容的恢復(fù)和保存。 4.1.3堆棧增長(zhǎng)方向設(shè)定 在OS CPU.H頭文件中還必須根據(jù)處理器堆棧的增長(zhǎng)方向?qū)S_STK_GROWTH進(jìn)行宏定義，由于ADSP-BF531是按照由高地址到低地址的結(jié)構(gòu)組織處理器堆棧，因此宏定義如下： #define OS_STK_GROWTH 1 4.1.4 OS_TASK_SW0宏定義 OS_TASK_SW0在μC/OS-II從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)被調(diào)用，定義如下： #define OS_TASK_sw() asm(“raise 13;”) 4.2編寫OS_CPU_C.C文件 μC/OS-lI的移植要求用戶在OS_CPU_C.C文件中編寫6個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，其中主要是完成OS-TaskStkInit ()，其余5個(gè)函數(shù)可以不作處理。OS-TaskStkInit()負(fù)責(zé)任務(wù)堆棧的初始化，使得任務(wù)堆棧看起來就像剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。不同的編譯器在函數(shù)調(diào)用時(shí)有不同的入棧方法，因此在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)必須根據(jù)處理器的編譯環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。VisualDSP++3.0在函數(shù)調(diào)用時(shí)的堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。 OSTaskStkInit()調(diào)用時(shí)需要傳遞任務(wù)代碼起始地址(task)、用戶參數(shù)指針(pdata)、任務(wù)堆棧頂端的地址(堆棧棧頂指針 ptos)、返回參數(shù)為新任務(wù)堆棧棧頂指針，函數(shù)原型如下： void OSTaskStkInit() {OS_STK*stk; stk=(void *)ptos; opt=opt; *stk--=fINT32U)pdata;//用戶數(shù)據(jù)區(qū) *stk--=fINT32U)(task);//RETI寄存器 *stk--=fINT32U)ptos;//FP寄存器 (由于需要入棧的寄存器數(shù)量比較多，限于篇幅，在此省略其中多數(shù)) *stk--=fINT32U)0; //SEQSq、AT寄存器 *stk--=fINT32U)0;//ASTAT寄存器 retum((void*)stk);} 任務(wù)建立時(shí)調(diào)用該函數(shù)對(duì)新建任務(wù)的堆棧進(jìn)行初始化，初始化后的堆棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。 4.3編寫OS_CPU_A.ASM文件 μC/OS-II移植的最后還需要用戶編寫4個(gè)重要的匯編函數(shù)，包括OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()及 OSTickISR()。分別介紹如下： 4.3.1 OSStartltighRdy()函數(shù) 該函數(shù)由OSStart()調(diào)用，用以運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)，其運(yùn)行過程：調(diào)用用戶定義的OS-TaskSwHook()數(shù)→獲取任務(wù)堆棧指針→置位全局 變量0SRunning 出棧CPU寄存器 中斷返回。在ADSP-BF531中的實(shí)現(xiàn)如下： _OSStartHighRdy： call_OSTaskSwHook; p0.1=_OSTCBHighRdy; p0.h=_0STCBHighRdy; pl=[p0]; ssync; sp=[p1]; p0.1=_OSRunning; p0.h=_OSRunning; r0=TRUE; [p0]=r0; ASTAT=[sp++]; SEQSTAT=[sp++]; FP =[sp++]; RETI=[sp++; rti; 4.3.2 OSCtxSw()函數(shù) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)級(jí)的切換是通過處理器的軟中斷實(shí)現(xiàn)的，并且軟中斷服務(wù)例程的向量地址必須指向OSCtxSw()函數(shù)，因此該函數(shù)的匯編程序代碼如下： _OSCtxSw： [--sp]=RETI; [--sp]=FP; [--sp]=SEQTAT; [--sp]=ASTAT; p0.1=_OSTCBCur; p0.h=_OSTCBCur; pl=[p0]; ssync; [pl]=sp; call_OSTaskSwHook; p0.1 =_OSPrioHighRdy; p0.h=_OSPrioHighRdy; r0=[p0]; p0.1=_0SPrioCur; p0.h=_OSPrioCur; [p0]=r0; p0.1=_OSTCBHighRdy; p0.h=_OSTCBHighRdy; pl=[p0];[!--empirenews.page--]

rO=[p0]; ssync; sp=[p1]; p0.1=_OSTCBCur; p0.h=_OSTCBCur; [p0]：r0; 、 ASTAT=[sp++]; SEQSTAT=[sp++]; FP：[SP++]; RETI=[sp++]; rti; 4.3.3 OSIntCtxSw()函數(shù) OSIntCtxSw()用于實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換，由于該函數(shù)在中斷服務(wù)程序中調(diào)用，因此在函數(shù)代碼中不需要寄存器入棧，但堆棧結(jié)構(gòu)中還包含了一些用戶不需要的函數(shù)調(diào)用返回地址，因此該函數(shù)必須在最初清理堆棧(調(diào)整堆棧指針的位置)，其匯編程序代碼如下： _OSIntCtxSw： p0=20; sp=sp+p0; p0.1=_OSTCBCur; p0.h=_OSTCBCur; pl=[p0]; ssync; [p1]=sp; call_OSTaskSwHook; p0.1=_OSPrioHighRdy; p0.h=_OSPrioHighRdy; r0=[p0]; p0.1=_OSPrioCur; p0.h=_OSPfioCur; [po]=10; p0.1=_OSTCBHighRdy; p0.h=_OSTCBHighRdy; pl=[p0]; r0=[p0]; ssync; sp=[p1]; p0.1=_OSTCBCur; p0.h=_0STCBCur; [po】=r0; ASTAT=[sp++]; SEQSTAT=[sp++]; FP =[sp++]; RETI=[sp++]; rti; 4.3.4 OSTicklSR()函數(shù) μ,C/OS-II要求用戶提供一個(gè)時(shí)鐘資源來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)和期滿功能。筆者在移植過程中使用內(nèi)核定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍，并通過定時(shí)器中斷服務(wù)例程 OSTickISR0實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換等功能，該函數(shù)的匯編程序代碼如下： _OSTicklSR： [--sp】=RETI; [--sp]=FP; [--sp]=SEQTAT; [--sp]=ASTAT; call_OSIntEnter; call_OSTimeTick; call_OSIntExit; ASTAT=[sp++]; SEQSTAT=[sp++]; FP =[sp++]; RETI=[sp++]; rti; 4.4程序下載及調(diào)試 完成以上文件的修改和編寫之后。就可在Vi-sualDSP++3.0環(huán)境中對(duì)所有的源文件進(jìn)行編譯和連接，生成處理器可執(zhí)行的.dxe文件，通過 JTAG直接下載到處理器內(nèi)核的程序區(qū)運(yùn)行。由于VisualD-SP++3.0提供了強(qiáng)大的調(diào)試功能，用戶能夠很清楚地了解μC/OS--II在處理器內(nèi)的運(yùn)行情況，這無疑也對(duì)μC/OS-Ⅱ向ADSP—BF531移植提供了強(qiáng)大的支持。 5 結(jié)束語 詳細(xì)介紹了向ADSP—BF531型處理器移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的步驟和與處理器相關(guān)函數(shù)的代碼編寫，并成功地進(jìn)行移植。通過測(cè)試，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)各任務(wù)之間的調(diào)用、中斷處理、任務(wù)之間的通信等都能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用。將程序員從冗繁的流程圖中解放出來，使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大大簡(jiǎn)化，并且程序的可讀性、擴(kuò)展性、可靠性也得到了很大的改善。 ------------ 關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說明 Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品，并對(duì)其軟件擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。Micrium花費(fèi)了大量的時(shí)間和財(cái)力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費(fèi)軟件，也不是開放源碼的軟件，因此，不能免費(fèi)使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費(fèi)軟件，這是和Linux完全不一樣的。 開發(fā)和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個(gè)人和學(xué)校學(xué)習(xí)使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權(quán)，包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設(shè)計(jì)，教學(xué)設(shè)備和最終的產(chǎn)品，如果沒有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權(quán)都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站(www.bmrtech.com)上面中有明確規(guī)定。 Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷售模式與μC/OS-II不同，如果沒有購買使用授權(quán)，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，培訓(xùn)，教學(xué)和生產(chǎn)。 μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權(quán)方式有：?jiǎn)蝹€(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線(系列)、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數(shù)目收取費(fèi)用的，相對(duì)起傳統(tǒng)的RTOS 動(dòng)輒2-3萬美圓的開發(fā)費(fèi)用和每塊單板的使用費(fèi)(根據(jù)數(shù)量從數(shù)百到幾個(gè)美圓)，μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費(fèi)方式，應(yīng)該只是大約相當(dāng)于傳統(tǒng)RTOS 的10-20% 的總體費(fèi)用。 如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品，您需要購買并獲得正式使用授權(quán)。 北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司