uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式平臺(tái)上進(jìn)行移植的一般方法和技巧

引言 ---實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用，能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開發(fā)。 μC/OS-II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性，除此以外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)。 在μC/OS-II官方的主頁(yè)上可以查找到一個(gè)比較全面的移植范例列表。但是，在實(shí)際的開發(fā)項(xiàng)目中，仍然沒有針對(duì)項(xiàng)目所采用芯片或開發(fā)工具的合適版本。那么，不妨自己根據(jù)需要進(jìn)行移植。 本文則以在TMS320C6711 DSP上的移植過程為例，分析了μC/OS-II在嵌入式開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行移植的一般方法和技巧。μC/OS-II移植的基本步驟 在選定了系統(tǒng)平臺(tái)和開發(fā)工具之后，進(jìn)行μC/OS-II的移植工作，一般需要遵循以下的幾個(gè)步驟： ● 深入了解所采用的系統(tǒng)核心 ● 分析所采用的C語(yǔ)言開發(fā)工具的特點(diǎn) ● 編寫移植代碼 ● 進(jìn)行移植的測(cè)試 ● 針對(duì)項(xiàng)目的開發(fā)平臺(tái)，封裝服務(wù)函數(shù) (類似80x86版本的PC.C和PC.H) 系統(tǒng)核心 無(wú)論項(xiàng)目所采用的系統(tǒng)核心是MCU、DSP、MPU，進(jìn)行μC/OS-II的移植時(shí)，所需要關(guān)注的細(xì)節(jié)都是相近的。 首先，是芯片的中斷處理機(jī)制，如何開啟、屏蔽中斷，可否保存前一次中斷狀態(tài)等。還有，芯片是否有軟中斷或是陷阱指令，又是如何觸發(fā)的。 此外，還需關(guān)注系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)器的使用機(jī)制，諸如內(nèi)存的地址空間，堆棧的增長(zhǎng)方向，有無(wú)批量壓棧的指令等。 在本例中，使用的是TMS320C6711 DSP。這是TI公司6000系列中的一款浮點(diǎn)型號(hào)，由于其時(shí)鐘頻率非常高，且采用了超常指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)、類RISC指令集、多級(jí)流水等技術(shù)，所以運(yùn)算性能相當(dāng)強(qiáng)大，在通信設(shè)備、圖像處理、醫(yī)療儀器等方面都有著廣泛的應(yīng)用。 在C6711中，中斷有3種類型，即復(fù)位、不可屏蔽中斷(NMI)和可屏蔽中斷(INT4-INT15)?？善帘沃袛嘤蒀SR寄存器控制全局使能，此外也可用IER寄存器分別置位使能。而在C6711中并沒有軟中斷機(jī)制，所以μC/OS-II的任務(wù)切換需要編寫一個(gè)專門的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 此外，C6711也沒有專門的中斷返回指令、批量壓棧指令，所以相應(yīng)的任務(wù)切換代碼均需編程完成。由于采用了類RISC核心，C6711的內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，只有A0-A15和B0-B15這兩組32bit的通用寄存器。 C語(yǔ)言開發(fā)工具 無(wú)論所使用的系統(tǒng)核心是什么，C語(yǔ)言開發(fā)工具對(duì)于μC/OS-II是必不可少的。 最簡(jiǎn)單的信息可以從開發(fā)工具的手冊(cè)中查找，比如：C語(yǔ)言各種數(shù)據(jù)類型分別編譯為多少字節(jié);是否支持嵌入式匯編，格式要求怎樣;是否支持 “interrupt”非標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵字聲明的中斷函數(shù);是否支持匯編代碼列表(list)功能，等等。 上述的這樣一些特性，會(huì)給嵌入式的開發(fā)帶來(lái)很多便利。TI的C語(yǔ)言開發(fā)工具CCS for C6000就包含上述的所有功能。 而在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步地弄清開發(fā)工具的一些技術(shù)細(xì)節(jié)，以便進(jìn)行之后真正的移植工作。 首先，開啟C編譯器的“匯編代碼列表(list)”功能，這樣編譯器就會(huì)為每個(gè)C語(yǔ)言源文件生成其對(duì)應(yīng)的匯編代碼文件。 在CCS開發(fā)環(huán)境中的方法是：在菜單“/Project/Build options”的“Feedback”欄中選擇“Interlisting：Opt/C and ASM(-s)”;或者，也可以直接在CCS的C編譯命令行中加上“-s”參數(shù)。 然后分別編寫幾個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)進(jìn)行編譯，比較C源代碼和編譯生成的匯編代碼。例如： void FUNC_TEMP (void) { Func_tmp2(); //調(diào)用任一個(gè)函數(shù) } 在CCS中編譯后生成的ASM代碼為： .asg B15, SP // 宏定義 _FUNC_TEMP: STW B3,*SP--(8) // 入棧 NOP 2 CALL _ Func_tmp2 //----------- MVKL BACK, B3 // 函數(shù)調(diào)用 MVKH BACK, B3 //----------- NOP 3 BACK: LDW *++SP(8),B3 // 出棧 NOP 4 RET B3 // 函數(shù)返回 NOP 5 由此可見，在CCS編譯器的規(guī)則中，B15寄存器被用作堆棧指針，使用通用存取指令進(jìn)行棧操作，而且堆棧指針必須以8字節(jié)為單位改變。 此外，B3寄存器被用來(lái)保存函數(shù)調(diào)用時(shí)的返回地址，在函數(shù)執(zhí)行之前需要入棧保護(hù)，直到函數(shù)返回前再出棧。 當(dāng)然，CCS的C編譯器對(duì)于每個(gè)通用寄存器都有約定的用途，但對(duì)于μC/OS-II的移植來(lái)說(shuō)，了解以上信息就足夠了。 最后，再編寫一個(gè)用“interrupt”關(guān)鍵字聲明的函數(shù)： interrupt void ISR_TEMP (void) { int a; a=0; } 生成的ASM代碼為： _ISR_TEMP: STW B4,*SP--(8) // 入棧 NOP 2 ZERO B4 //--------- STW B4,*+SP(4) // a=0 NOP 2 //---------- B IRP // 中斷返回 LDW *++SP(8),B4 // 出棧 NOP 4 與前一段代碼相比，對(duì)于中斷函數(shù)的編譯，有兩點(diǎn)不同： ● 函數(shù)的返回地址不再使用B3寄存器，相應(yīng)地也無(wú)需將B3入棧。(IRP寄存器能自動(dòng)保存中斷發(fā)生時(shí)的程序地址) ● 編譯器會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)中斷函數(shù)所用到的寄存器，從而在中斷一開始將他們?nèi)咳霔１Ｗo(hù)——例如上述程序段中，只用到了B4寄存器。 編寫移植代碼 在深入了解了系統(tǒng)核心與開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，真正編寫移植代碼的工作就相對(duì)比較簡(jiǎn)單了。 μC/OS-II自身的代碼絕大部分都是用ANSI C編寫的，而且代碼的層次結(jié)構(gòu)十分干凈，與平臺(tái)相關(guān)的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H這三個(gè)文件當(dāng)中。 在移植的時(shí)候，結(jié)合前面兩個(gè)步驟中已經(jīng)掌握的信息，基本上按照《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II》一書的相關(guān)章節(jié)的指導(dǎo)來(lái)做就可以了。 但是，由于系統(tǒng)核心、開發(fā)工具的千差萬(wàn)別，在實(shí)際項(xiàng)目中，一般都會(huì)有一些處理方法上的不同，需要特別注意。以C6711的移植為例： ● 中斷的開啟和屏蔽的兩個(gè)宏定義為： #define OS_ENTER_CRITICAL() Disable_int() #define OS_EXIT_CRITICAL() Enable_int() Disable_int和Enable_int是用匯編語(yǔ)言編寫的兩個(gè)函數(shù)。在這里使用了控制狀態(tài)寄存器(CSR)的一個(gè)特性——CSR中除了控制全局中斷的GIE位之外，還有一個(gè)PGIE位，可用于保存之前的GIE狀態(tài)。 因此在Disable_int中先將GIE的值寫入PGIE，然后再將GIE寫0，屏蔽中斷。而在Enable_int中則從PGIE讀出值，寫入 GIE，從而回復(fù)到之前的中斷設(shè)置。 這樣，就可以避免使用這兩個(gè)宏而意外改變了系統(tǒng)的中斷狀態(tài)——此外，也沒有使用堆?；蚓植孔兞浚仍髡咄扑]的方法要好。 ● 任務(wù)的切換： 前文說(shuō)過，C6711中沒有軟中斷機(jī)制，所以任務(wù)的切換需要用匯編語(yǔ)言自行編寫一個(gè)函數(shù)_OSCtxSw來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且 #define OS_TASK_SW() OSCtxSw() 在C6711中需要入棧保護(hù)的寄存器包括A0-A15、B0-B15、CSR、IER、IRP和AMR，這些再加上當(dāng)前的程序地址構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)幀，需要入棧保存。 _OSCtxSw函數(shù)中，需要像發(fā)生了一次中斷那樣，將上述存儲(chǔ)幀入棧，然后獲取被激活任務(wù)的TCB指針，將其存儲(chǔ)幀的內(nèi)容彈出，從而完成任務(wù)切換。 需要特別注意的是，在這里OS_TASK_SW是作為函數(shù)調(diào)用的，所以如前文所述，調(diào)用時(shí)的當(dāng)前程序地址是保存在B3寄存器中的，這也就是任務(wù)重新激活時(shí)的返回地址。 ● 中斷的編寫： 如前文所述，如果用“interrupt”關(guān)鍵字聲明函數(shù)，CCS在編譯時(shí)，會(huì)自動(dòng)將該函數(shù)中使用到的寄存器入棧、出棧保護(hù)。 但是，這會(huì)導(dǎo)致各種中斷發(fā)生時(shí)，出入棧的內(nèi)容各不相同。這對(duì)于μC/OS-II是會(huì)引起嚴(yán)重錯(cuò)誤的。因?yàn)?mu;C/OS-II要求中斷發(fā)生時(shí)的入棧操作使用和發(fā)生任務(wù)切換時(shí)完全一樣的存儲(chǔ)幀結(jié)構(gòu)。 因此，在移植時(shí)、基于μC/OS-II進(jìn)行開發(fā)時(shí)，都不應(yīng)當(dāng)使用“interrupt”關(guān)鍵字，而應(yīng)用如下結(jié)構(gòu)編寫中斷函數(shù)： void OSTickISR (void) { DSP_C6x_Save(); // 服務(wù)函數(shù)，入棧 OSIntEnter(); if (OSIntNesting == 1) // v2.51版本新增加 { OSTCBCur->OSTCBStkPtr =(OS_STK*) DSP_C6x_GetCurrentSP(); // 服務(wù)函數(shù) } // 獲取當(dāng)前SP的值 // 允許中斷嵌套 則在此處開中斷 OSTimeTick(); OSIntExit(); DSP_C6x_Resume(); // 服務(wù)函數(shù)，出棧 } DSP_C6x_Save和DSP_C6x_Resume是兩個(gè)服務(wù)函數(shù)，分別完成中斷的出、入棧操作。它們與OS_TASK_SW函數(shù)的區(qū)別在于：中斷發(fā)生時(shí)的當(dāng)前程序地址是自動(dòng)保存在IRP寄存器的，應(yīng)將其作為任務(wù)返回地址，而不再是B3。此外，DSP_C6x_Resume是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)返回的函數(shù)，在將所有內(nèi)容出棧后，它就直接跳轉(zhuǎn)回到中斷發(fā)生前的程序地址處，繼續(xù)執(zhí)行。 進(jìn)行移植的測(cè)試 在編寫完了所有的移植代碼之后，就可以編寫幾個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)程序進(jìn)行測(cè)試了，大體上可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行，相關(guān)資料比較詳盡，這里就不多作贅述了。 封裝服務(wù)函數(shù) 最后這個(gè)步驟，往往是容易被忽視的，但對(duì)于保持項(xiàng)目代碼的簡(jiǎn)潔、易維護(hù)有很重要的意義。 μC/OS-II的原作者強(qiáng)烈建議將源代碼分路徑進(jìn)行存儲(chǔ)，例如本文例子中的所有源代碼就應(yīng)按如下路徑結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)： \uCOS-II ├─SOURCE // 平臺(tái)無(wú)關(guān)代碼 │ OS_CORE.C │ ...... └─TI_C6711 // 系統(tǒng)核心 ├─CCS // 開發(fā)工具 │ OS_CPU.H │ OS_CPU_A.ASM │ OS_CPU_C.C │ ├─ DSP_C6x_Service // 服務(wù)函數(shù) │ DSP_C6x_ Service.H │ DSP_C6x_ Service.ASM │ └─ TEST // 具體的開發(fā)項(xiàng)目代碼 OS_CFG.H INCLUDES.H TEST.C ...... 如上，DSP_C6x_Service中的服務(wù)函數(shù)，類似于原作者提供的80x86版本中的PC.C和PC.H文件。在本文的例子中，服務(wù)函數(shù)則包括了上文提及的中斷相關(guān)函數(shù)，以及系統(tǒng)初始化函數(shù)DSP_C6x_SystemInit()和時(shí)鐘初始化函數(shù)DSP_C6x_TimerInit()等。 而具體的開發(fā)項(xiàng)目代碼，則可以分別在“/TI_C6711”路徑下新建自己的目錄，就如同移植測(cè)試的“TEST”項(xiàng)目，而無(wú)需再關(guān)注μC/OS-II的源代碼和服務(wù)函數(shù)。 如此，就可以避免不必要的編譯錯(cuò)誤，也便于開發(fā)項(xiàng)目的維護(hù)。 - ------------ 關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說(shuō)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(gòu)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(gòu)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(guó)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(gòu)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(wàn)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(gòu)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。