μC／OS-II操作系統(tǒng)在各種處理器上的移植

μC/OS-II操作系統(tǒng)是一種搶占式多任務(wù)、單內(nèi)存空間、微小內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，具有高效緊湊的特點(diǎn)。它執(zhí)行效率高，占用空間小，可移植性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能良好且可擴(kuò)展性強(qiáng)。采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度;對(duì)各任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)可以保證任務(wù)及時(shí)響應(yīng);采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，降低了程序的復(fù)雜度，方便程序的開發(fā)和維護(hù)。 μC/OS-11非常適合應(yīng)用在一些小型的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用場合，在家用電器、機(jī)器人、工業(yè)控制、航空航天、軍事科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

單片機(jī)、ARM、FPGA與μC/OS-II操作系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一些具體功能，是目前嵌入式應(yīng)用中比較常見的。在這些應(yīng)用中，基礎(chǔ)性的工作就是操作系統(tǒng)的移植。本文選取使用較多的51單片機(jī)、LPC2210、NiosII三種處理器進(jìn)行介紹。

1 μC/OS-II操作系統(tǒng)移植條件

μC/OS-II操作系統(tǒng)的大部分源代碼都是用C語言書寫的，但仍需使用匯編語言來完成一些和處理器相關(guān)的操作，例如讀寫處理器、寄存器時(shí)只能使用匯編語言來實(shí)現(xiàn)。因此，將μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)處理器上，需要從硬件和軟件兩方面來考慮。

硬件方面，目標(biāo)處理器需滿足以下條件：

①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;

②用C語言可以開/關(guān)中斷;

③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10～1 000 Hz之間);

④處理器能夠支持容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中的指令。

軟件方面，主要關(guān)注的是一些與處理器相關(guān)的代碼移植，其分布在OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM這3個(gè)不同的文件中。

2 目標(biāo)處理器硬件支持

51單片機(jī)、LPC2210、NiosII三種處理器在硬件方面均能滿足μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植要求。

51單片機(jī)：選擇Keil公司的集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)工具，因?yàn)樵摷砷_發(fā)環(huán)境的C51編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼，且用C語言就可以開/關(guān)中斷。同時(shí)具有一定數(shù)量的堆棧和操作相關(guān)寄存器的指令。

LPC2210：采用ARM7微控制器可以滿足上述②、④、⑤，而ADS1.2的C編譯器可以滿足①、③的要求。

NiosII處理器：Nios處理器可以配置成最多支持64個(gè)中斷，包括外部硬件中斷、內(nèi)部中斷以及TRAP(調(diào)試中斷)。Nios II處理器可以配置使用32位內(nèi)部定時(shí)器，通過用軟件控制寫入幾個(gè)控制寄存器的內(nèi)容來獲得定時(shí)工作，與一般的定時(shí)器工作原理相同，可以產(chǎn)生定時(shí)中斷。 Nios處理器可以外接存儲(chǔ)器。以使用的DE2開發(fā)板為例，外接512 KB SRAM資源，可提供足夠的數(shù)據(jù)硬件堆棧。NioslI 8.0 IDE采用GNU編譯器，支持C/C++的編譯、鏈接產(chǎn)生重入代碼，允許在C語言中嵌入?yún)R編語言。

3 軟件移植過程

3.1 OS_CPU.H的實(shí)現(xiàn)

OS_CPU.H文件包括了用#define語言定義的與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及數(shù)據(jù)類型。

在上述三種處理器采用的不同編譯器中，數(shù)據(jù)類型的定義是相同的，在此不做具體介紹。

在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的宏，主要是進(jìn)入臨界區(qū)的OS_ENTER_CRITICAL()和退出臨界區(qū)的OS_EXIT_CRITICAL()。

在Keil編譯器中，EA是總中斷。

#define OS_ENTER_CRITICAL() EA=0;//關(guān)中斷

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1;//開中斷

在ADS編譯器中定義為軟件中斷函數(shù)，并編寫軟件中斷處理代碼實(shí)現(xiàn)開/關(guān)中斷。

_swi(0x00)viod OS_TASK_SW(viod);//任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)

_swi(0x00)viod OS_ENTER_CRITICAL(viod);//關(guān)中斷

_swi(0x00)viod OS_EXIT_CRITICAL(viod); //開中斷

在NiosII 8.0 IDE編譯器中：

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm(“PFX 8n WRCTL%g0;”) //關(guān)中斷

#define OS_EXIT_CRITICAL() asm(“PFX 9n WRC TL%g 0;”) //開中斷

堆棧的增長方向通過設(shè)置OS_STK_GROWTH為0或者1來確定。51單片機(jī)中只能設(shè)置為0，表示堆棧是從下往上增長的。LPC2210中則可以設(shè)置成0或者1。NiosII中則只能設(shè)置成1，表示堆棧是從上往下增長的。

3.2 OS_CPU_C.C的實(shí)現(xiàn)

OS_CPU_C.C中，主要應(yīng)改寫堆棧初始化函數(shù)OS-TaskStkIint()。必須根據(jù)移植時(shí)統(tǒng)一定義的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，其他9個(gè)鉤子函數(shù)只需說明即可。也可根據(jù)移植時(shí)用戶自己的需要，編寫相應(yīng)的操作代碼。

以LPC2210為例，堆?？臻g從高到低依次存放著PC，LR，R12，R11，…，R1，R0，CPSR，OsEnterSum。每個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的 OsEnterSum，在任務(wù)切換時(shí)保存和恢復(fù)各自的OsEnterSum值。各個(gè)任務(wù)開/關(guān)中斷的狀態(tài)可以不同，這樣實(shí)現(xiàn)了開/關(guān)中斷的嵌套。

關(guān)于51單片機(jī)和NiosII處理器的這部分移植，請(qǐng)參看參考文獻(xiàn)。

3.3 OS-CPU-A.S的實(shí)現(xiàn)

這部分需要對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作，所以必須用匯編語言編寫。μC/OS-II移植要求用戶編寫4個(gè)簡單的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()、OSTickISR()。

OSStartHighRdy()的任務(wù)是進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和切換;OSCtxSw()的任務(wù)是強(qiáng)制CPU進(jìn)行寄存器和程序計(jì)數(shù)器的切換;OSIntCtxSw()的任務(wù)是在中斷返回時(shí)進(jìn)行任務(wù)切換;OSTickISR()是時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序，用來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延遲和超時(shí)功能。

以O(shè)SStartHighRdy()任務(wù)調(diào)度和切換函數(shù)為例，介紹3種處理器移植代碼。

(1)51單片機(jī)

OSStartHighRdy：

結(jié) 語

51單片機(jī)、LPC2210，NiosII三種處理器在目前的嵌入式應(yīng)用方面有著廣闊的市場前景。將μC/OSs-II操作系統(tǒng)移植到這三種以及其他處理器上，能夠更好地保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，而且該操作系統(tǒng)代碼少，易于掌握和移植。

本文所介紹的μC/OS-II操作系統(tǒng)在3種處理器上的移植是筆者在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，進(jìn)行的梳理和小結(jié)，對(duì)初學(xué)者有一定的參考價(jià)值。