在MC68HC908GP32上移植μC/OS-II

在前幾講中，介紹了μC/OS-II 的概念、工作機(jī)制，還介紹了μC/OS-II在Intel 80X86CPU上的移植，相信讀者通信學(xué)習(xí)，已經(jīng)對移植的過程和步驟有了一定的了解。ΜC/OS-II最初是為摩托羅拉68HC11系列單片機(jī)設(shè)計的。 68HC11系列單片機(jī)有外部總線，可以外接RAM和ROM;而沒有外部總線8位MCU。由于RAM容量的限制，移植就存在一定的困難;但對于有些8位的 MCU，將μC/OS-II移植到MOTOROLA MC68H908GP32(以下簡稱GP32)上。

一、在GP32上移植μC/OS-11的主要問題

在第(4)講中，介紹過要移植μC/OS-11，目標(biāo)處理必須滿足以下要求：

(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;

(2)用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷;

(3)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷(通常在10～100Hz之間);

(4)處理器支持足夠的RAM，保存全局變量和作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧。

(5)處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中的指令。

編譯后的μC/OS-II的內(nèi)核大約有6～10KB;如果只保留最核心的代碼，則最小可壓縮到2KB。RAM的占用與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套的層數(shù)。所以，所要移植的系統(tǒng)中必須有足夠的RAM資源。而像MOTOROLA6805系列的8位MCU，由于RAM資源太小且堆棧指針是固定的，不能滿足上面的第(4)條和第(5)條要求，所以μC/OS-II不能在這類處理器上運(yùn)行。

GP32是68HC08家庭的成員，具有512字節(jié)的片內(nèi)RAM，32K字節(jié)的片內(nèi)Flash，8MHz總線時鐘。內(nèi)部寄存器包括1個8位累加器A，1個16位索引寄存器X，1個16位堆棧指針寄存器SP，1個16位程序指針寄存器 PC及1個8位標(biāo)志寄存器CCR。與6805系列MCU相比，68HC08系列MCU的堆棧指針為16位，可以自由尋址。這就滿足了移植條件(5)，且可以使用C編譯器生成代碼。GP32的用戶手冊可以在摩托羅拉公司的主頁上下載，http://www.motorola.com。

在GP32上移植μC/OS-II的主要困難還是RAM資源太少。為了移植成功，必須采取措施減少RAM的用量，包括限制系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)量、仔細(xì)修改μC/OS-II內(nèi)核、去掉不使用的部分、限制任務(wù)的斷嵌套層數(shù)、在任務(wù)中盡量減少使用局部變量等等。在采取了上述措施后，可將RAM用量減少到最低。但需要提醒的是，為了節(jié)省堆棧空間而采用的限制中斷嵌套層數(shù)的方法將影響系統(tǒng)的實(shí)時性能。所以，在GP32上移植μC/OS-II更多的是一種演示，能更好地說明μC/OS-II內(nèi)核的可裁剪性和靈活性。

在本講中將介紹一個移植實(shí)例。為了減少RAM用量，在本例中只運(yùn)行了2個用戶任務(wù)。盡量減池一內(nèi)核中不必要的模塊(包括由箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等)，去掉了任務(wù)掛起、喚醒和刪除等擴(kuò)展功能，但仍然支持任務(wù)的創(chuàng)建和管理，也保留了信號量模塊來用來任務(wù)間的通訊。

二、工具和運(yùn)行環(huán)境

要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II向GP32的移植，需要一個面向MC68HC08的C編譯器。筆者使用的是HIWARE公司的C編譯器。移植過程同樣適用于MC68HC08家庭的其他成員。

三、移植中所需修改的文件

首先是編寫整個項(xiàng)目的公共頭文件include.h，這個文件定義使用內(nèi)核中的哪些模塊。Include.h會被所有的C源程序引用。還要修改和CPU相關(guān)的三個文件，分別是頭文件OS_CPU08.H、匯編代碼文件 OS_CPU08.ASM和C代碼文件OS_CPU08.C。

1.include.h文件

include.h是主頭文件，在所有后綴名為.C的文件的開始都包含include.h文件。文件中可以內(nèi)核進(jìn)行裁剪。在本例中定義如下：

#define OS_MAX_EVENTS 2 /*共用了2個信號量*/

#define OS_MAX_MEM_PART 0 /*不使用內(nèi)存塊功能*/

#define OS_MAX_QS 0 /*不使用消息隊(duì)列功能*/

#define OS_MAX_TASKS 3 /*共有3個任務(wù)(包括空閑任務(wù))*/

#define OS_LOWEST_PRIO 20 /*定義最低優(yōu)先級20*/

#define OS_TASK_IDLE_STK_SIZE 60 /*定義空閑任務(wù)堆棧60字節(jié)*/

#define OS_TASK_STAT_EN 0 /*不使用統(tǒng)計任務(wù)*/

#define OS_MBOX_EN 0 /*不使用消息郵箱功能*/

#define OS_MEM_EN 0 /*不包括內(nèi)存管理部分代碼*/

#define OS_Q_EN 0 /*不包括消息隊(duì)列部分代碼*/

#define OS_SEM_EN 1 /*定義包括信息量相關(guān)代碼*/

#define OS_TASK_CHANGE_PRIO_EN 0 /*不包括任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)改變代碼*/

#define OS_TASK_CREATE_EN1 /*包括任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)代碼*/

#define OS_TASK_CREATE_EXT_EN 0 /*不包括帶擴(kuò)展功能的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)*/

#define OS_TASK_DEL_EN 0 /*不包括刪除任務(wù)函數(shù)代碼*/

#define OS_TASK_SUSPEND_EN 0 /*不包括任務(wù)掛起和喚醒函數(shù)代碼*/

#define OS_TICKS_PER_SEC 10 /*定義每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)*/

對于不同類型的處理器，還需要改寫include.h文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。在安裝μC/OS-II的時候，附帶了幾個移植實(shí)例，例如，針對Intel 80X86的代碼安裝到IIL目錄下。我們?yōu)镚P32編寫的移植實(shí)例可放在IIHC08下，這樣，為GP32改寫的include.h文件中應(yīng)該加入下列語句：

#include "iiHC08_CPU08.ASM"

#include "iiHC08_CPU08.C"

#include "iiHC08_CPU08.H"

2.OS_CPU08.H文件

OS_CPU08.H文件中定義了硬件相關(guān)的基本信息：

/*數(shù)據(jù)類型*/

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U;

typedef signed char INT8S;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16S;

typedef unsigned long INT32U;

typedef signed long INT32S;

/*定義堆棧增長方向*/

#define OS_STK_GROWTH1 /*堆棧由高地址向低地址增長*/

/*定義堆棧單位*/

#define OS_STK INT8U

/*定義進(jìn)入臨界代碼區(qū)開關(guān)中斷宏*/

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm sei

#define OS_EXIT_CRITICAL() asm cli

#define OS_TASK_SW() asm swi

(1)數(shù)據(jù)類型

由于不同的處理器有不同的字長，μC/OS-II的移植需要重新定義一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具體字長還和使用的C編譯器有關(guān)。在GP32中堆棧是按字節(jié)操作的，堆棧數(shù)據(jù)類型OS_STK聲明為8位。μC/OS-II中所有任務(wù)的堆棧都必須用OS_STK聲明。[!--empirenews.page--]

(2)代碼臨界區(qū)

μC/OS-II在進(jìn)入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前要關(guān)閉中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開，從而保護(hù)核心數(shù)據(jù)不被多任務(wù)環(huán)境下的其他任務(wù)或中斷破壞。在GP32中，開關(guān)中斷可以通過匯編指令CLI和SEI來實(shí)現(xiàn)。所以μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL()定義為指令SEI，OS_EXIT_CRITICAL()定義為指令CLI。

(3)堆棧增長方向

GP32的堆棧是由高地址向低地址方向增長的，所以常量OS_STK_GPOWTH必須設(shè)置為1。

(4)OS_TASK_SW()函數(shù)的定義

在μC/OS-II中，OS_TASK_SW()用來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。就緒任務(wù)的堆棧初始化應(yīng)該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，堆棧中應(yīng)該按進(jìn)棧次序設(shè)置好各個寄存器的內(nèi)容。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進(jìn)行任務(wù)切換。GP32中可采用軟中斷指令SWI實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。中斷服務(wù)程序的入口點(diǎn)必須指向匯編函數(shù)OSCtxSw()。

OS_TASK_SW()的定義：

#define OS_TASK_SW() asm swi

3.OS_CPU08.ASM文件

μC/OS-II的移植需要改寫OS_CPU08.ASM中的4個函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。

(1)OSStartHighRdy()函數(shù)

該函數(shù)由SStart()函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。在調(diào)用 OSStart()之前，必須先調(diào)用OSInit()，并且已經(jīng)至少創(chuàng)建了一個任務(wù)。為了啟動任務(wù)，OSStartHighRdy()首先找到當(dāng)前就緒的優(yōu)先級最高的任務(wù)(OSTCBHighRdy中保存有優(yōu)先級最高任務(wù)的任務(wù)控制塊-TCB的地址)，并從任務(wù)的任務(wù)控制塊(OS_TCB)中找到指向堆棧的指針，然后從堆棧中彈出全部寄存器的內(nèi)容，運(yùn)行RTE中斷返回。由于任務(wù)創(chuàng)建時堆棧的結(jié)構(gòu)就是按中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)初始化的，執(zhí)行RET指令后就切換到新任務(wù)(有關(guān)μC/OS-II的任務(wù)切換機(jī)制，請參考系列講座的第2講)。對于OSStartHighRdy的代碼，我們采用在C中嵌入?yún)R編的方法編寫。需要說明的是，由于GP32中有512字節(jié)RAM，所以地址指針必須是16位的;而GP32中累加寄存器A為8位，所以用累加器A傳遞地址必須進(jìn)行兩次讀入、輸出操作。

Void OSStartHighRdy(void)

{asm

{

jsr OSTaskSwHook //調(diào)用用戶定義接口函數(shù)

lda OSRunning //設(shè)置OSRunning變量，標(biāo)志進(jìn)入多任務(wù)模式

inca

sta OSRunning

ldx OSTCBHighRdy //取得最高優(yōu)先級就緒任務(wù)TCB地址

stx OSTCBCur //保存到OSTCBCur中

pshx

ldx OSTCBHighRdy:1//保存地址的第二個字節(jié)

stx OSTCBCur:1

pulh

lda 0,X //載放就緒任務(wù)堆棧指針

psha

ldx 1,X //載入就緒任務(wù)堆棧指針第二個字節(jié)

pulh

txs

pulh //恢復(fù)索引寄存器內(nèi)容

rti //中斷返回，運(yùn)行新任務(wù)

}}

(2)OSCtxSw()函數(shù)

OSCtxSw()是一個任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)(在任務(wù)中調(diào)用，區(qū)別于在中斷程序中調(diào)用的OSIntCtxSw())。在GP32上實(shí)現(xiàn)，可通過執(zhí)行一條軟中斷指令SWI來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。軟中斷向量指向OSCtxSw()。在 μC/OS-II中，如果任務(wù)調(diào)用了某個函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果可能造成系統(tǒng)任務(wù)新調(diào)度(例如試圖喚醒一個優(yōu)先級更高的任務(wù))，則在函數(shù)的末尾會調(diào)用 OSSched();如果OSSched()將查找當(dāng)前就緒的優(yōu)先級最高的任務(wù)，若不是當(dāng)前任務(wù)，則判斷是否需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，并找到該任務(wù)控制塊 OS_TCB的地址，將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷進(jìn)行任務(wù)切換。在此過程中，變量 OSTCBCur始終包含一個指向當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)OS_TCB的指針。OSCtxSw()的匯編代碼如下：

Void OSCtxSw(void)

{asm

{pshh //保存X寄存器

tsx

pshx

pshh

dx OSTCBCur //載入當(dāng)前任務(wù)的TCB指針

pshx

ldx OSTCBCur:1 //載入TCB的第二個字節(jié)

pulh

pula

sta 0,x //保存當(dāng)前堆棧指針

pula

sta 1,x

jsr OSTaskSwHook //調(diào)用用戶定義的接口函數(shù)

lda OSPrioHighRdy //設(shè)置OSPrioCur=OSPrioHighRdy

sta OSPrioCur

pshx

ldx OSTCBHighRdy:1

stx OSTCBCur:1

pulh

lda 0,x //載入堆棧指針

psha

ldx,1,x

pulh

txs

pulh //恢復(fù)索引寄存器內(nèi)容

rti //中斷返回，切換任務(wù)

}}

(4)OSTickISR()函數(shù)

在μC/OS-II中，當(dāng)調(diào)用OSStart()啟動多任務(wù)環(huán)境后，時鐘中斷的使用是非常重要的。在時鐘中斷程序中負(fù)責(zé)處理所有與定時相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時、等待操作等等。在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時結(jié)束，否則將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

為GP32編寫的函數(shù)OSTickISR()的代碼如下：

void OSTickISR()void{

asm{

pshh

LDA T1SC

BCLR 7,T1SC //允許中斷嵌套

}

OsintEnter(); /*標(biāo)志進(jìn)入中斷*/

OSTimeTick(); /*調(diào)用時鐘節(jié)拍函數(shù)*/

OSlntExit(); /*標(biāo)志退出中斷*/

Asm{

Pulh

Rti

}}

和μC/OS-II中的其他中斷服務(wù)程序一樣，OSTickISR()首先在被中斷任務(wù)堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調(diào)用OSIntEnter()。μC/OS-II要求在中斷服務(wù)程序開頭調(diào)用OSIntEnter()，其作用是將記錄中斷嵌套層數(shù)的全局變量OSIntNesting加1。如果不調(diào)用OSIntEnter()，直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨后，OSTickISR()調(diào)用OSTimeTick()，檢查所有處于延時等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否有延時結(jié)束就緒的任務(wù)。在OSTickISR()的最后調(diào)用OSIntExit()，如果在中斷中(或其他嵌套的中斷)有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，并且當(dāng)前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit() 將進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。注意：如果進(jìn)行了任務(wù)調(diào)度，OSIntExit()將不同志返回調(diào)用者，而是用新任務(wù)的堆棧中的寄存器數(shù)值恢復(fù)CPU現(xiàn)場，然后用 IRET實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。如果當(dāng)有中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變?nèi)蝿?wù)的就緒狀態(tài)，OSIntExit()將返回調(diào)用者 OSTickISR()，最后OSTickISR()返回被中斷的任務(wù)。

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4.OS_CPU08.C文件

μC/OS-II的移植需要用戶在OS_CPU08.C中定義6個函數(shù)：

OSTaskStkInit()

OSTaskCreateHook()

OSTaskDelHook()

OSTaskSwHook()

OSTaskStatHook()

OSTimeTickHook()

實(shí)際需要定義的只有OSTaskStkInit()函數(shù)，其他5個函數(shù)需要聲明，但不一定有實(shí)際內(nèi)容。這5個函數(shù)都是用戶定義，所以O(shè)S_CPU08.C中只有定義，沒有給出代碼。如果用戶需要使用這些函數(shù)，請將文件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)由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù) OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調(diào)用，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)，按照中斷后的進(jìn)棧次序預(yù)留各個寄存器存儲空間;而中斷返回地址指向任務(wù)代碼的起始地址。當(dāng)調(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()創(chuàng)建一個新任務(wù)時，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、任務(wù)的優(yōu)先級。 OSTaskCreateExt()還需要一些其他參數(shù)，但與OSTaskStkinit()沒有關(guān)系。OSTaskStkInit()只需要以上提到的 3個參數(shù)(task、pdata和ptos)。堆棧初始化工作結(jié)束后，OSTaskStkInit()返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate()OSTaskCreateExt()將指針保存在任務(wù)的OS_TCB中。

Void*OSTaskStklint(void(*task)(void*pd),void*pdata,void*ptos,INT16U opt)

{

INT16U *stk;

stk=(INT16U*)ptos; /*保存堆棧指針*/

*--stk=(INT16U)(task); /保存程序計數(shù)器內(nèi)容*/

*--stk=(INT16U)(0x00); /初始化X和A寄存器內(nèi)容*/

--stk=(INT16U)(0x00); /*初始化CCR和H寄存器*/

return((void*)stk);

}

其余的幾個函數(shù)：OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook和OSTimeTickHook()均由用戶自定義。

四、制作用戶自己的項(xiàng)目

在為內(nèi)核編寫了上述與硬件相關(guān)的代碼以后，用戶就可以為自己的項(xiàng)目編寫實(shí)際的代碼了。在本例中，用戶任務(wù)共有兩個。任務(wù)1在初始化時鐘中斷以后，就進(jìn)入了一人死循環(huán)。在這個循環(huán)里，任務(wù)1一方面以1s(秒)為周期改變并行I/O口 PORTA第0個引腳的輸出電壓，另一方面每隔4s便向任務(wù)2發(fā)送1個信號。而任務(wù)2則始終等待任務(wù)1發(fā)來的信號，一旦收到信號，便改變并行I/O口 PORTA第1個引腳的輸出電壓。具體的代碼如下：

/*****************************************

* EXE2.C

*******************************************/

#include

#include "includes.h"

Byte PORTA @0x0000; /*并口A地址$0000*/

Byte DDRA @0x0004; /*并口A方向寄存器地址$0004*/

Byte T1SC @0x0020; /*定時器控制寄存器地址$0020*/

Byte T1MODH@0x0023; /*定時器模式寄存器地址$0023*/

OS_EVENT *Semaphore;

#define TASK_STK_SIZE 64 /*任務(wù)堆棧大小64字節(jié)*/

INT8U Task1Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務(wù)1堆棧*/

INT8U Task2Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務(wù)2堆棧*/

Void Hardwareinit(void);

Void Task1(void*pdata)

{int count=0;

/*int count=0;

/*初始化定時器*/

asm{

LDA #0x50

STA T1SC

LDHX #0x0333 //設(shè)定定時器間隔100ms

STHX T1MODH

CLI

}

for(;;){

PORTA&=0xFE;

OSTimeDly(5); /*延時0.5s*/

PORTA|=0x01;

/*延時0.5s*/

DSTimeDly(5);

Count++;

If(count= =4){

OSSemPost(Semaphore);

Count=0;

}

}}

void Task2(void *pdata)

{

Byte err;

For(;;){

OSSemPend(Semaphore,0,&err);

PORTA&=0xFD:

OSSemPend(Semaphore,0,&err);

PORTA|=0x02;

}

}

void main(void){

Hardwarelnit(); /*完成硬件的初始化工作*/

Oslint(); /*初始化多任務(wù)環(huán)境*/

Semaphore=OSSemCreate(0);

OSTaskCreate(Task1,(void*)0,(void*)&Task1Stk

[TASK_STK_SIZE],10);

OSTaskCreate(Task2,void*)0,(void*)&Task2Stk

[TASK_STK_SIZE],9);

OSStart();

}

在主程序main()中，用戶必須先調(diào)用OSInit()，然后創(chuàng)建各個任務(wù)和信號量等，最后調(diào)用OSStart()，以啟動內(nèi)核運(yùn)行，開始正常的任務(wù)調(diào)度。

本例中盡量減小了對RAM的需求：假如中斷嵌套層數(shù)不超過三層，所需事件只有一個，即只需要一個事件控制塊;應(yīng)用中對μC/OS-II提供的功能進(jìn)行最大限度的裁剪，能不用的盡量不用。采用了上述措施后，μC/OS-II的RAM使用情況大致如下：μC/OC-II所使用的全局變量占用22字節(jié)，事件控制塊占用12字節(jié)。此外，當(dāng)系統(tǒng)初始化時，還需要最小30字節(jié)的系統(tǒng)堆棧用于初始化TCB，并傳遞參數(shù)。以上為μC/OS-II中系統(tǒng)所必需的RAM，計64字節(jié)。

假設(shè)給每個任務(wù)分配64個字節(jié)的堆?？臻g，其中用于任務(wù)控制塊17字節(jié)，允許三層中斷嵌套要用18字節(jié)，任務(wù)切換時的棧結(jié)構(gòu)要用8字節(jié)。由于程序是用C語言編寫的，確切的子函數(shù)嵌套調(diào)用層數(shù)是不知道的。如果不使用本身需要緩沖區(qū)的C 語言函數(shù)，如printf()等，任務(wù)中程序調(diào)用所產(chǎn)生的嵌套層數(shù)不超過10層，則64字節(jié)中還能分析給任務(wù)局部變量的空間只剩下1字節(jié)了。這是能分配任務(wù)的最小RAM空間了。

綜上所述，GP32的512字節(jié)RAM可分為8個64字節(jié)的RAM塊。如果運(yùn)行 4個任務(wù)，能留給應(yīng)用程序的RAM也只剩下128字節(jié)了。如果在GP32上運(yùn)行μC/OS-II，且不多于8個任務(wù)，則任務(wù)調(diào)度表可以再簡化，不需要調(diào)度 64個任務(wù)，只調(diào)度8個任務(wù)就可以了。