在MOTOROLAA68K系列MCU上移植μC/OS-II

以下介紹如何將μC/OS-II移植到MOTOROLA MC68K系列CPU上。

一、MC68K CPU簡介

MC68K及68020、68040等的著名的MOTOROLA32位微處理器，和與之兼容的68K、CPU32、CPU32+等CPU擴充定時處理單元TPU、隊列串行模塊QSM、系統(tǒng)控制模塊和RAM等組成MC683xx系列單片機。

CPU32內部有8個32位通用數據寄存器，8個32位通用地址寄存器。8個通用數據寄存器可作為累加器使用，也可看成C語言中各種類型的變量;8個通用地址寄存器，可作為變址寄存器使用，也可看成C語言中的指針型變量。CPU32 有獨立的用戶堆棧指針和系統(tǒng)堆棧指針，可區(qū)分程序區(qū)、數據區(qū)、系統(tǒng)區(qū)、用戶區(qū)等存儲空間，有7級中斷。

要實現μC/OS-II向MC68K的移值，需要有MC68K的C編譯器。我們使用的HIWARE公司的C編譯器。該C編譯器允許嵌入行匯編。

二、移植中所需修改的文件

和CPU相關的文件主要有三個：C語言文件OS_CPU32.C、頭文件OS_CPU32.H和匯編文件OS_CPU32.ASM。

1.INCLUDES.H文件

INCLUDES.H是主頭文件，在所有后綴名為.C文件的開始都包含 INCLUDES.H文件。對于不同類型的處理器，用戶需要改定INCLUDES.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，附帶了幾個移植實例，例如，針對Intel 80x86的代碼安裝到IIL目錄。我們?yōu)镸C68K編寫的移植實例都放在II下，在INCLUDES.H文件中增加有：

#include "iiK_CPU32.ASM"

#include "iiK_CPU32.C"

#include "iiK_CPU32.H"

2.OS_CPU32.H文件

OS_CPU32.H文件中定義了與硬件相關的基本信息：

typedef unsigned char INT8U; /*無符號8位數*/

typedef signed char INT8S; /*帶符號8位數*/

typedef unsigned int INT16U; /*無符號16位數*/

typedef signed int INT16S; /*帶符號16位數*/

typedef signed long INT32S; /*帶符號32位數*/

typedef unsigned int OS_STK; /*堆棧入口寬度為16位*/

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

#define UCOS 0 /*用于任務切換的軟中斷*/

define OS_TASK_SW() _TRAP(UCOS)

#define OS_ENTER_CRITICAL() move.w#$2700,SR /*進入臨界區(qū)*/

#define OS_EXIT_CRITICAL() move.w #$2000,SR /*退出臨界區(qū)*/

(1)數據類型

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據結構。由于MC68K為32位MCU，整數(int)類型數據為16位，長整開有(long)為32位。在MC68K中堆棧都是按字進行操作的，所以堆棧數據類型OS_STK聲明為16位。所有的堆棧必須用OS_STK聲明。

(2)代碼臨界區(qū)

μC/OS-II在進入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之間要關中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開，從而保護核心數據不被多任務環(huán)境下的其他任務或中斷破壞。在MC68K中，開關中斷可以通過設置狀態(tài)寄存器SR中的中斷屏蔽位來實現。μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL()定義將狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽位置位，屏蔽所有的七級中斷;OS_EXIT_CRITICAL()定義將狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽位清零，打開所有的七級中斷。這種處理方法非常簡單，但CPU32提供分級中斷機制得不到使用。如果要使用分級中斷，必須改寫一些相關的函數，將在第4節(jié)中闡明。

(3)堆棧方向

MC68K處理器的堆棧是由高地址向低地址遞減的，所以OS_STK_GROWTH必須設置為1。

(4)OS_TASK_SW()函數的定義

在μC/OS-II中，OS_TASK_SW()用來實現任務切換。就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，椎棧中應該按入棧次序設置好各個寄存器。OS_TASK_SW()函數模擬一次斷過程，在中斷返回的進修進行任務切換。CPU32有16個軟中斷可供選用，稱為陷阱TRAP調用。中斷程序程序的入口必須指向匯編函數OSCtxSw()。

我們在μC/OS-II所提供的例程中使用的0號陷阱調用，由下面的語句完成定義：

#define OS_TASK_SW() -TRAP(UCOS)

3.OS_CPU32.ASM文件

μC/OS-II的移植需要用戶改寫OS_CPU_A.ASM中的4個函數：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。

(1)OSStartHighRdy()函數

該函數由OSStart()函數調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務。在調用OSStart()之前，用戶必須先調用OSInit()，并且已經至少創(chuàng)建了一個任務。為啟動任務，OSStartHighRdy()首先找到當前就緒的優(yōu)先級最高的任務，OSTCBHighRdy中保存有優(yōu)先級最高任務的任務控制塊(TCB)的地址，并從任務的任務控制塊中找到指向堆棧的指針，然后運行指令MOVEM.L(A7)+，A0-A6/D0-D7，從堆棧中彈出全部寄存器的內容，運行RTE中斷返回。由于任務創(chuàng)建時堆棧的結構就是按中斷捕撈堆棧結構初始化的，執(zhí)行RET指令后就切換到了新任務。有關μC/OS-II的任務切換機制，請參考系列計座(3).

OSStartHighRdy的匯編代碼如下：

_OSStarHighRdy

MOVE.L(_OSTCBHighRdy)，A1

;獲取最高優(yōu)先級就緒任務的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur)

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7

RTE ;中斷返回，切換任務

(2)OSCtxSw( )函數

OSCtxSw( )是一個任務級的任務切換函數(在任務中調用，區(qū)別于在中斷程序中調用的OSIntCtxSw()，在MC68K系統(tǒng)上，通過執(zhí)行一條軟中斷指令來實現任務切換。軟中斷向量指向函數，而該函數的執(zhí)行結構可能造成系統(tǒng)任務重新調度(例如，試圖喚醒一個優(yōu)先級更高的任務)，則在函數的末尾會調用 OSSched()，OSSched()將查找當前就緒的優(yōu)先級最高的任務。如果不是當前任務，則判斷是否需要進行任務調度，再找到該任務控制塊 OS_TCB的地址，并將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過寵OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷，進行任務切換。在此過程中，變量 OSTCBCur始終包含一個指向當前運行任務OS_TCB的指針。OSCtxSw()的匯編代碼如下：

_OSCtxSw

MOVEM.L A0-A6/D0-D7,-(A7) ;存儲當前任務環(huán)境

MOVE.L (_OSTCBCur)，A1 ;保存當前任務TCB指針

[!--empirenews.page--]

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1 ;獲取最高優(yōu)先級就緒任務的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;將就緒任務設置為當前運行任務

MOVE.L (A1)，A7 ;取得新任務的堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中斷返回，切換任務

(3)OSIntCtxSw()函數

在μC/OS-II中，由于中斷的產生可能會引起任務切換，在中斷服務程序的最后會調用OSICntExit()函數檢查任務就緒狀態(tài)。如果需要進行任務切換，將調用OSIntCtxSw()，所以，OSIntCtxSw()又稱為中斷級的任務切換函數。由于在調用OSIntCtxSw()之前已經發(fā)生了中斷，OSIntCtxSw()默認CPU寄存器已經保存在被中斷任務的堆棧了。OSIntCtxSw()的代碼與OSCtxSw()的大部分相同，不同之處是：第一，由于中斷已經發(fā)生，此處不需要再保存CPU寄存器;第二，OSIntCtxSw()需要調整堆棧指針，去掉堆棧中一些不需要的內容，以使堆棧中包含任務的運行環(huán)境。

_OSIntCtxSw

ADDA #10，A7 ;忽略掉由于函數嵌套調

;用而壓入堆棧的內容

MOVE.L (_CSTCBCur)，A1 ;在TCB中保存當前

;任務的堆棧指針

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1

;獲取最高優(yōu)先級就緒任務的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;將就緒任務設備為當前

;運行任務

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中斷返回，切換任務

(4)OSTickISR()函數

在μC/OS-II中，當調用OSStart()啟動多任務環(huán)境后，時鐘中斷非常重要。在時鐘中斷中處理所有與定時相關的工作，如任務的延時、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，判斷是否延時結束，以重新進行任務調度。

和μC/OS-II中的其他中斷服務程序一樣，OSTickISR()首先在被不斷任務堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調用OSIntEnter()。ΜC/OS-II要求在中斷服務程序開頭調用OSIntEnter()，其作用是將記錄中斷嵌套層數的全局變量OSIntNesting加1。如果不調用OSIntEnter()，直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨垢，OSTickISR()調用OSTimeTick()，檢查所有處于延時等待狀態(tài)的任務，判斷是否有延時結束并就緒的任務。在OSTickISR() 的最后調用OSIntExit()，如果在中斷中(或其他嵌套的中斷)有更高優(yōu)先級的任務就緒，并且當前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit()將進行任務調度。注意，如果進行了任務調度，OSIntExit()將不再返回調用者，而是用新任務堆棧中的寄存器數值恢復 CPU現場，然后用RTE實現任務切換。如果當前中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變任務的就緒狀態(tài)，OSIntExit()將返回調用者 OSTickISR()，最后OSTickISR()返回被中斷的任務。

4.OS_CPU32.C文件

μC/OS-II的移值需要用戶在OS_CPU32.C中定義6個函數，而實際上需要定義的只有OSTaskStkInit()一個函數，其他5個函數需要聲明，

 

但不一定有實際內容。這5個函數都是用戶定義的，所以OS_CPU32.C中沒有給出代碼。如果用戶需要使用這些函數，請將文件OS_CDG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設為1，設為0表示不使用這些函數。

OSTaskStkInit()函數由任務創(chuàng)建函數 OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，用來初始化任務的堆棧。初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結構。按照中斷后的進棧次序預留各個寄存器的存儲空間，而中斷返回地址指向任務代碼的起始地址。當調用OSTaskCreate()或 OSTaskCreateExt()創(chuàng)建一個新任務時，需要傳遞的參數是：任務代碼的起始地址、參數指針、任務堆棧頂端的地址、任務的優(yōu)先級。 OSTaskCreateExt()還需要一些其他參數，但與OSTaskStkInit()沒有關系。OSTaskStkInit()只需要以上提到的 3個參數：task、pdata、ptos。由于MC68K堆棧是16位寬的(以字為單位)，OSTaskStkInit()將創(chuàng)立一個指向以字為單位的內存區(qū)域的指針，同時要求堆棧指針指向空堆棧的頂端。堆棧初始化工作結束后，OSTaskStkInit()返回新的堆棧頂指針，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將指針保存在任務的OS_TCB中。

三、移植中的幾點注意事項

由于μC/OS-II運行的實時性，調試內核幾乎不可能。一旦移植過程中內核運行不穩(wěn)定，很難確定是什么地方的問題，更困難的是有些現象幾乎是不可重復的。這就需要詳細了解內核運行機理，認真分析，找出可能存在的問題。下面就來分析這些移植過程中的問題。

1.編譯器的優(yōu)化選項

在移植過程中，除了要熟悉μC/OS-II和目標芯片之外，熟悉使用的C編碼器也非常重要。通常C編譯器都會提供一些優(yōu)化代碼的選項，在移植μc/OS-II的過程中，這些選項往往會帶來麻煩。下面是移植中與HIWARE的C編譯器有關的例子。

通常在調用子程序或進入中斷時，C編譯器會自動保存CPU內部寄存器到堆棧中。例如，在進入中斷時編譯器會加入下面2條指令：

LINK #$0000，A6;

MOVEM.L D0/D1/D3/D4/D5/D6/D7/A0/A1/A2/A3/A4/A5，-(A7);

這2條匯編指令的作用是將CPU的數據寄存器D0～D7、地址寄存器A0～A5 保存到堆棧中，再將此時的堆棧指針A7也保存到堆棧中，并使用A6作為臨時的堆棧指針。這本是一個非常好的優(yōu)化選項，可以防止在中斷中偶然地更改了數據寄存器或地址寄存器;但在μC/OS-II中，這個機制將對OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的幾個子程序和中斷服務例程產生致命的影響。

OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的子程序中斷引發(fā)任務調度，當前的任務被掛起。掛起任務是通過下面的語句來完成的：

MOVEM.L A0-A6/D0-D7，-(A7);

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L (A2)，A1;

MOVE.L A7，(A1);

保存任務的指針和所有數據地址寄存器的值，那么理想情況下，此時的任務堆棧應該是如圖1所示的情況(以OSCtxSw()函數為例，可以對應到OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的其他函數和中斷處理例程)。

那么恢復掛起的任務時，只要通過如下語句：

MOVE.L OSTCBHighRdy，A1;

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L A1，(A2);[!--empirenews.page--]

MOVE.L (A1)，A7;

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7;

將保存在任務TCB中的任務堆棧指針恢復，再恢復數據地址寄存器，最后執(zhí)行OSCtxSw()的中斷返回，就可以順利地恢復被掛起的任務。

如果C編譯器在OSCtxSw()函數入口處插入了2條保存數據地址寄存器和堆棧指針的語句后，再執(zhí)行掛起任務的語句，任務的堆棧會變成圖2所示的情況。編譯器引起了堆棧的變化，如果所有的任務都是用這種方式掛起和恢復的，并不會產生致命的問題，因為編碼器退出OSCtxSw()函數時會插入如下語句恢復堆棧：

MOVEM.L (A7)+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

問題在于初始化任務的時候，每個任務實際上是按照圖1所示的堆棧結構被初始化的，那么，按照圖2的堆棧結構來恢復自然會導致堆棧崩潰。

解決這個問題的方法很多，可以改定任務初始化的代碼以適應C編譯器的這個“優(yōu)化”，也可以在進入OSCtxSw()函數時首先調用如下語句恢復堆棧，抵消C編碼器的影響：

MOVEM.L (A7)+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

而在退出OSCtxSw()函數前再調用如下語句模擬出更動的堆棧：

LINK #$0000，A6

MOVEM.L D0-D7/A0-A5，-(A7);

較好的方法當然是調整編譯器，取消這個優(yōu)化選項。如果無法調整編譯器，就只有用以上辦法來適應編譯器了。

2.開關中斷的方法

在μC/OS-II中，開關中斷是非常重要的，它可以保證關鍵代碼或訪問全局變量時不受中斷的意外影響。CPU32的中斷控制比較復雜，提供了7級具有不同級別的中斷;可以選擇關閉或打開某幾級中斷。但多級中斷會使得μC/OS- II的中斷處理變得復雜。在簡單的應用或初次嘗試移植μC/OS-II時，可以使用全開全關的方法。

如果考慮多級中斷，必須注意到中斷開關級別的控制是一個重要的信息，在關閉中斷之前需要將這個信息保存起來，在對應的開中斷時恢復這個中斷級別控制信息。最容易想到的方法是用一個全局變量存存這個信息。

使用這個方法的程序如下：

#define OS_EXIT_CRITICAL() asm move SR_TEMP,sr;

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm move.w SR,SR_TEMP;

asm ori.w #0x0700,SR;

接著構造兩個任務，每個任務分別向屏幕輸出一句話，同時修改內核的代碼，讓空閑任務也輸出一句話。運行內核，通常在幾分鐘內會發(fā)現內核停止調試，只有空閑任務不停地向屏幕輸出。這種情況非常麻煩，因為根據無法通過調試手段判斷何時何處導致內核停止調度。

分析一下，當只有空閑任務運行時，代碼為：

move.w sr,sr_temp

ori.w #0700,sr

addi.1 #1,OSIdleCtr

move.w sr_temp,sr

jmp ****

這5句語句在循環(huán)運行，而中斷(這時只有定時中斷)可以在任意一句語句中間切入。那么，如果在MOVE.W SR，SR_TEMP的時候產生了中斷，

 

就會執(zhí)行中斷(因為正要關中斷，但還沒有關上);而中斷程序調用的OSIntENTER和OSIntEXIT都會調用OS_ENTER_CRITICAL()來關閉中斷，遞增中斷嵌套層數全局變量。這時，再次執(zhí)行MOVE.W SR，SR_TEMP變量就被改寫成關中斷的值，當從中斷返回到IDLE任務執(zhí)行MOVE.W SR_TEMP，SR時，就關閉了中斷，而不是恢復原來的狀態(tài)寄存器。這樣就導致內核無法響應中斷，無法調度任務，只有IDLE任務在運行。

如何解決?最容易想到的方法是再增加一個全局變量，用來保存進入中斷時的中斷開關信息，退出中斷恢復這個信息;但如果考慮到中斷嵌套，相同的情況又出現了，并且如果一個任務在執(zhí)行MOVE.W SR，SR_TEMP時被中斷打斷并且發(fā)生了任務調度，那么當個任務恢復時，它使用的中斷信息SR_TEMP可以已經是被其他任務更改后的值了。內核無法響應中斷，無法調度的任務可能依然存在。

給每個任務和中斷都定義一個這樣的全局變量，在不考慮中斷嵌套的情況下似乎可以解決問題，但想象一下為每一個任務和中斷提供一個單獨的OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()函數所帶來的工作量。顯然這不一個好辦法。

將中斷信息推入堆棧是一個好主意，但我們會看到由此帶來的一些更加隱蔽而復雜的問題。實現這個方法的程序代碼如下：

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm move SR,-(A7);

asm ori.w #0x0700,SR;

#define OS_EXIT_CRITICAL() asm move (A7)+,sr;

這樣，每次調用OS_ENTER_CRITICAL()，都將當前的中斷開關信息保存到當前任務堆?；蛳到y(tǒng)堆棧中斷OS_EXIT_CRITICAL()時，恢復這個信息。

使用了這個方法后，必須小心地計算堆棧的使用情況，修改 OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C文件里的函數。以OSIntCtxSw()函數為例，這個函數將導致中斷級的任務調度，即被中斷打斷的程序不能繼續(xù)運行，退出中斷中另一個優(yōu)先級更高的任務得以運行。在這個函數中必須對被中斷的任務堆棧進行清理，使得這個任務的堆?？雌饋砗鸵淮握５娜蝿涨袚Q后的情況相同，這樣，才能保證這個任務被正確地恢復運行。OSIntCtxSw()函數僅僅在OSICntExit()函數中被調用。

須指出的是，在中斷發(fā)生時，CPU32已經將全部的寄存器和狀態(tài)寄存器，PC指針內容保存到了堆棧中，這樣已經為被打斷的任務的恢復作好了準備。如果按照正常的中斷流程，在退出中斷時，被打斷的任務應該恢復運行?，F在，由于執(zhí)行了中斷級的任務切換，被打斷的任務不能立刻恢復，而是被掛起，這就要求在執(zhí)行任務調度前調整堆棧，使得被中斷打斷的任務處于隨時可以被恢復的狀態(tài)。

在中斷處理程序中，當執(zhí)行到OSIntExit()時，堆棧的情況和剛剛進入中斷還是相同的，是能夠隨時恢復被打斷的任務的情況。那么，只需要忽略OSIntExit()函數造成的堆棧變化。首先，是OSIntExit()函數本身的返回地址，長度為2個字;調用OS_ENTER_CRITICAL()壓入堆棧的狀態(tài)寄存器，長度為1個字;最后，是OSIntCtxSw()函數的返回地址，長度為2個字。那么在OSIntCtxSw()進行任務切換時，首先要把這5個字的堆棧的內容清除，才能保證被中斷任務的正確恢復。該語句如下：

ADDA #10，A7;

在完成了這些調整后，由于開關中斷可能導致的內核調度死鎖的可能已經不存在了。但是在這種情況下，另一個更加隱蔽的問題會出現，這個問題又是和使用的C編碼器相關的。[!--empirenews.page--]

問題出現在使用OSSemPend()函數時，一旦調用這個函數，CPU就會出現地址錯誤而進入異常處理，內核被終止。這個問題相當奇怪，因為，OSSemPend()函數完全是一個C語言寫成的子函數，函數本身不應出現地址錯誤。通過閱讀編譯器編譯出來的目標碼發(fā)現了問題。EmPend()函數，發(fā)現這個函數沒有任何局部變量。在進入OSSemPend()函數時，編譯器不需要產生LINK指令來提供局部變量空間。所有的參數都是使用帶偏移量的地址寄存器間接尋址方式直接從堆棧中取得，而且使用的地址寄存器就是A7寄存器。問題可能就在這里，OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()對堆棧的操作都會調整A7寄存器，這就會導致下面的語句在利用A7作寄存器間接尋址時發(fā)生錯亂，出現地址錯誤。

這需要詳細研究編譯器的特性。我們使用的HIWARE的編譯器實際上已經考慮到了這一點，當調用OS_ENTER_CRITICAL()或OS_EXIT_CRITICAL()函數更加了A7寄存器后，使用A7的地址寄存器間接尋址也會做出相應的調整，保證仍然能夠得到函數調用時傳遞的變量。每出現一個OS_ENTER_CRITICAL()，接下來的A7寄存器間接尋址的偏移量就會加2;每出現一個OS_EXIT_CRITICAL()，接下來的A7寄存器間接尋址的偏移量就會減2。但是問題卻依然存在，對OSSemPend()的調用會導致地址錯誤，這應該是一個更深層次的錯誤。

這個問題的解決方法是：定義一個局部變量，迫使編譯器生成LINK指令，構造內部參數尋址指針A6，這樣調用OS_ENTER_CRITICAL()或OS_EXIT_CRITICAL()時，更動的只是A7，而對參數尋址用的是A6，不受影響。

如果強迫編譯器在調用函數時都加上LINK和UNLINK指令也可以解決這個問題，但是又會面臨最先提到的編譯器的優(yōu)化選項問題?？梢钥闯?，編譯器的特性對移植μC/OS-II是非常重要的，并且往往這些特性是相互制約的。

在移植和運行μC/OS-II的過程中，也許還會有新的問題出現，遇到問題時只要仔細分析，分析堆棧的使用、中斷的影響，分析編譯生成的代碼，就可以實現μC/OS-II的穩(wěn)定可靠運行。