μC/OS-II在S3C44BOX處理器上的移植

μC/OS-II功能強(qiáng)大，支持56個(gè)用戶任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制，現(xiàn)已成功應(yīng)用到眾多商業(yè)嵌入式系統(tǒng)中，是一個(gè)成熟穩(wěn)定的實(shí)時(shí)內(nèi)核。與大多商用RTOS不同的是，μC/OS-II公開所有的源代碼，90%的代碼使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言書寫，程序可讀性強(qiáng)、移植性好;同時(shí)它可免費(fèi)獲得，即使商業(yè)應(yīng)用也只收取少量的許可費(fèi)用。因此，對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究、開發(fā)、應(yīng)用具有重要意義。

Samsung S3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設(shè)備和其它嵌入式應(yīng)用提供的高性價(jià)比的微控制器解決方案。它使用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2個(gè)UART、1個(gè)多主I2C總線控制器、1個(gè)I2C總線控制器，以及5通道PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，功能強(qiáng)大。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自已獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無(wú)限循環(huán)。μC/OS-II處理器無(wú)關(guān)的代碼提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語(yǔ)言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語(yǔ)言寫一些處理器相關(guān)代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：

①處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

②可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出臨界區(qū)代碼;

③處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

④ 處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

⑤處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

S3C44B0X處理器完全滿足上述要求。

2 實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II在S3C44B0X上的移植

我們使用ARM SDT編譯器，移植μC/OS-II主要包括以下幾個(gè)步驟。

(1)設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

*************************************************

與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型

*************************************************

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U; /*8位無(wú)符號(hào)整數(shù)*/

typedef signed char INT8S; /*8位有符號(hào)整數(shù)*/

typedef unsigned short INT16U; /*16位有符號(hào)整數(shù)*/

typedef signed short INT16S; /*16位無(wú)符號(hào)整數(shù)*/

typedef unsigned long INT32U; /*32位無(wú)符號(hào)整數(shù)*/

typedef signed long INT32S; /*32位有符號(hào)整數(shù)*/

typedef float FP32; /*單精度浮點(diǎn)數(shù)*/

typedef double FP64; /*雙精度浮點(diǎn)數(shù)*/

typedef unsigned int OS_STK;/*堆棧入口寬度為16位*/與ARM處理器相關(guān)的代碼：

#define OS_ENTER_CRITICAL () ARMEnableInt() /*開啟中斷*/

#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)*/

(2)用C語(yǔ)言編寫6個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_C.C)

void OSTaskStkInit(void(task)(void *pd),void *pdata,void *ptos,INT16U opt)

{ unsigned int *stk;

opt =opt; /*因“opt”變量沒有用到，防止編譯器產(chǎn)生警告*/

stk =(unsigned int *)ptos; /*裝載堆棧指針*/

/*為新任務(wù)創(chuàng)建上下文*/

*--stk=(unsigned int)task; /*lr*/

*--stk=(unsigned int)task /*pc*/

*--stk=0; /*r12*/

*--stk=0; /*r11*/

*--stk=0; /*r10*/

*--stk=0; /*r9*/

*--stk=0; /*r8*/

*--stk=0; /*r7*/

*--stk=0; /*r6*/

*--stk=0; /*r5*/

*--stk=0; /*r4*/

*--stk=0; /*r3*/

*--stk=0; /*r2*/

*--stk=0; /*r1*/

*--stk=(unsigned int)pdata; /*r0*/

*--stk=(SVC32MODE|0x0|); /*cpsr IRQ,

*--stk=(SVC32MODE|0x0); /*spsr IRQ,關(guān)閉FIQ*/

return((void*)stk);

}

后5個(gè)函數(shù)是鉤子函數(shù)，可以不加代碼：

void OSTaskCreateHook(OS_TCB *ptcb)

void OSTaksDelHool (OS_TCB *ptcb)

void OSTaskSwHook(void)

void OSTaskStatHook(void)

(3)用匯編語(yǔ)言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU.ASM)

OSStartHighRdy() ;運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)

LDR r4，addr_OSTCBCur ;得到當(dāng)前任務(wù)的TCB地址

LDR r5，addr_OSTCBHighRdy ;得到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB地址

LDR r5,addr_OSTCBHighRdy ;得到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB地址

LDR r5,[r5] ;得到堆棧指針

LDR sp,[r5] ;切換到新的堆棧

STR r5,[r4] ;設(shè)置新的當(dāng)前任務(wù)的TCB地址

LDMFD sp!,{r4}

MSR CPSR_cxsf,r4

LDMFD sp!,{r0-r12,lr,pc} ;開始新的任務(wù)

END

OSCtxsw() 任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)

STMFD sp!,{lr} ;保存PC指針

STMFD sp!,{lr} ;保存lr指針

STMFD sp!，{r0-r12} ;保存寄存器文件和返回地址

MRS r4,CPSR

STMFD sp!,{r4} ;保存當(dāng)前PSR

MRS r4,SPSR

STMFD sp!,{r4}

;OSPrioCur=OSPrioHighRdy

LDR r4,addr_OSPrioCur

LDR r5,addr_OSPrioHighRdy

LDRB r6,[r5]

STRB r6,[r4]

;得到當(dāng)前任務(wù)的TCB地址

LDR r4,addr_OSTCBCur

LDR r5,[r4]

STR sp,[r5] ;保存棧指針在占先任務(wù)的TCB上

;取得高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB地址

LDR r6,addr_OSTCBHighRdy

LDR r6,[r6]

LDR sp,[r6] ;得到新任務(wù)的堆棧指針

;OSTCBCur=OSTCBHighRdy

STR r6,[r4]

;得到當(dāng)前新任務(wù)的TCB地址

LDMFD sp!,{r4}

MSR SPSR_cxsf,r4

LDMFD sp!,{r4}[!--empirenews.page--]

MSR SPSR_cxsf,r4

LDMFD sp!,{r0-r12,lr pc}

OSIntCtxSw() ;中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)

LDMIA sp!,{al-vl,lr}

SUBS pc,lr,#4

SUB lr,lr,#4

MOV r12,lr

MRS lr,SPSR

AND lr,lr,#0XFFFFFE0

ORR lr,lr,#0XD3

MSR CPSR_CXSF,lr

OSTickISR() ;中斷服務(wù)函數(shù)

STMDB sp!,{r0-r11,lr}

MRS r0,CPSR

ORR r0,r0,#0x80; ;設(shè)置中斷禁止標(biāo)志

MSR CPSR_cxsf,r0 ;中斷結(jié)束

LDR r0,I_ISPC

LDR r1,=BIT_TIMER0

STR r1,{r0}

BL IrqStart

BL osTimeTick

BL IrqFinish

LDR r0,=need_to_swap_context

LDR R2,[R0]

CMP r2,#1

LDREQ pc,=_CON_SW

完成上述工作后，μC/OS-II就可以運(yùn)行在ARM處理器上了。

3 使用μC/OS-II系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

①μC/OS-II和Linux等分時(shí)操作系統(tǒng)不同，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。每一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同(分析它的源碼會(huì)發(fā)現(xiàn)，μC/OS-II把任務(wù)的優(yōu)先級(jí)當(dāng)作任務(wù)在標(biāo)識(shí)來(lái)使用，如果優(yōu)先級(jí)相同，任務(wù)將無(wú)法區(qū)分)。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權(quán)，只有等它交出CPU的使用權(quán)后，其它任務(wù)才可以被執(zhí)行。所以，它只能就是多任務(wù)，不能就是多進(jìn)程，至少不是我們所熟悉的那種多進(jìn)程。

②μC/OS-II對(duì)共享資源提供了保護(hù)的機(jī)制。μC/OS-II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。我們可以把一個(gè)完整的程序劃分成幾個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)執(zhí)行不同的功能。對(duì)于共享資源(比如串口)，μC/OS-II也提供了很好的解決辦法，一般情況下使用的是信號(hào)量方法。我們創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量并對(duì)它進(jìn)行初始化，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí)，它必須先申請(qǐng)得到這個(gè)信號(hào)量。在這個(gè)過程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因?yàn)闊o(wú)法得到信號(hào)量，也不能使用該資源。在μC/OS-II中稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單地說，就是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的完成。在上述情況下，在兩個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級(jí)后轉(zhuǎn)是無(wú)法避免的。所以不在使用μC/OS-II時(shí)，必須對(duì)所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對(duì)于某種共享資源是否使用信號(hào)量。

③μC/OS-II內(nèi)存管理不夠完善。在分析許多μC/OS-II的應(yīng)用實(shí)例中發(fā)現(xiàn)，任務(wù)?？臻g和內(nèi)存分區(qū)的創(chuàng)建采用了定義全局?jǐn)?shù)組的方法，這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)固然簡(jiǎn)單，但不夠靈活有效。

編譯器會(huì)將全局?jǐn)?shù)組作為未初始化的全局變量，放到應(yīng)用程序映像的數(shù)據(jù)段。數(shù)組的大小是固定的，生成映像后不可能在使用中動(dòng)態(tài)地改變。對(duì)于任務(wù)?？臻g來(lái)說，數(shù)組定義大了會(huì)造成內(nèi)存浪費(fèi);定義小了任務(wù)棧溢出，會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。對(duì)于內(nèi)存分區(qū)，在不知道系統(tǒng)初始化后給用戶留下了多少自由內(nèi)存空間的情況下，很難定義內(nèi)存分區(qū)所使用數(shù)組的大小。此外，現(xiàn)在μC/OS-II只支持固定大小的內(nèi)存分區(qū)，容易造成內(nèi)存浪費(fèi)。μC/OS-II將來(lái)應(yīng)該被改進(jìn)以支持可變大小的內(nèi)存分區(qū)。因此，系統(tǒng)初始化后能清楚地掌握自由內(nèi)存空間的情況是很重要的。所以，應(yīng)避免使用全局?jǐn)?shù)組分配內(nèi)存空間，關(guān)鍵是要知道整個(gè)應(yīng)用程序在編譯、鏈接后代碼段和數(shù)據(jù)段的大小，在目標(biāo)板內(nèi)存中是如何定位，以及目標(biāo)板內(nèi)存的大小。

總之，隨著各種智能嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜化和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求的提高，伴隨應(yīng)用軟件朝著系統(tǒng)化發(fā)展的加速，功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II將會(huì)有更大的發(fā)展。