μCOS-II移植到ARM處理器上的幾個(gè)要點(diǎn)

uCOS II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫。總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植到任何一種其它的CPU上。

uCOS II最多可支持56個(gè)任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并支持Semaphore(信號(hào)量)、Mailbox (郵箱)、MessageQueue(消息隊(duì)列)等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。與大多商用RTOS不同的是，uCOS II公開所有的源代碼。并可以免費(fèi)獲得，只對(duì)商業(yè)應(yīng)用收取少量License費(fèi)用。

uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3個(gè)文件有關(guān)，中斷處理的移植占據(jù)了很大一部分內(nèi)容。作為移植的一個(gè)重點(diǎn)，本文以標(biāo)準(zhǔn)中斷(IRQ)為例討論了移植中的中斷處理。

1uCOS II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

uCOS II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1。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)為自己獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此uCOS II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)的代碼。uCOS 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：可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼);

2)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

3)處理器需能容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

4)處理器需有能在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

移植uCOS II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP(Board Support Package)的編寫。uCOS II處理器無關(guān)的代碼提供uCOS 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)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

2uCOS II移植過程中需要注意的幾個(gè)問題

uCOS II移植的中斷處理跟ARM體系結(jié)構(gòu)和uCOS II處理中斷的過程有關(guān)，必須注意這2個(gè)方面的問題才能高效移植。

2.1 ARM 處理器7種操作模式

用戶模式(USER MODE)是ARM 通常執(zhí)行狀態(tài)，用于執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序;快速中斷模式(FIQ MODE)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或通道處理;中斷模式(IRQ MODE)用于通用中斷處理;超級(jí)用戶模式(SVC MODE)是一種操作系統(tǒng)受保護(hù)的模式：數(shù)據(jù)中止模式(ABT MODE)指令預(yù)取指中止、數(shù)據(jù)中止時(shí)進(jìn)入該模式;未定義模式(UND MODE)當(dāng)執(zhí)行未定義的指令時(shí)進(jìn)入該模式;系統(tǒng)模式(SYS MODE)是操作系統(tǒng)一種特許的用戶模式。

除了用戶模式之外，其他模式都?xì)w為特權(quán)模式，特權(quán)模式用于中斷服務(wù)、異常或者訪問受保護(hù)的資源。

特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式之外另5種模式又稱為異常模式，在移植過程中必須設(shè)置中斷向量表來處理異常。uCOS II的移植主要處理標(biāo)準(zhǔn)中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷(SWI)。

2.2 uCOS II中斷響應(yīng)的過程

以IRQ中斷為例，假設(shè)CRPS中I_bit位為0，當(dāng)有IRQ中斷時(shí)，CPU強(qiáng)制進(jìn)入IRQ模式，當(dāng)前的CPSR拷貝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以關(guān)閉IRQ中斷。數(shù)據(jù)保存之后，CPU強(qiáng)行從0X00000018開始執(zhí)行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址， 然后執(zhí)行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被調(diào)用來檢測(cè)中斷源并執(zhí)行中斷。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR()又調(diào)用OSIntExit()來確認(rèn)是否有比ISR優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)要執(zhí)行。如果當(dāng)前中斷任務(wù)仍然是優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，OSIntExit()返回，OS_CPU_IRQ_ISR()彈出中斷堆棧，如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)需要執(zhí)行，OSIntExit()調(diào)用OSIntCtxSw()執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。

2.3 uCOS II的臨界段代碼

uCOS II使用關(guān)中斷來保護(hù)臨界代碼。它定義了2個(gè)宏來開中斷(OS_EXIT_CRITICAL())，關(guān)中斷(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3種方法來實(shí)現(xiàn)，uCOS II建議使用第3種方法可以保存當(dāng)前處理器狀態(tài)的值。

3uCOS II移植過程中的中斷處理

uCOS II中斷處理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有關(guān)，其移植過程主要有以下幾個(gè)步驟。

3.1 在CRT.S中設(shè)置中斷向量表

ARM的中斷向量表位于ROM 的最底部，其地址范圍為0X00000000～0X0000001C，設(shè)置如下：

VECTORS:LDR PC，RESET_ADDR

LDR PC，UNDEF_ADDR

LDR PC，SWI_ADDR

LDR PC，PABT_ADDR

LDR PC，DABT_ADDR

NOP

LDR PC，IRQ_ADDR

LDR PC，F(xiàn)IQ_ADDR

RESET_ADDR：。 WORD RESET_HANDLER

UNDEF_ADDR：.WORD UNDEF—HANDLER

SWI_ADDR：.WORD SWI HANDLER

PABT_ADDR：.WORD PABT_HANDLER

DABT_ADDR：.WORD DABT_ HANDLER

WORD 0

IRQ_ADDR：.WORD IRQ_HANDLER

FIQ_ADDR：.WORD FIQ HANDLER

UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

SWI_HANDLER： B SWI_HANDLER

PABT_HANDLER： B PABT_HANDLER

DABT_HANDLER： B DABT_HANDLER

IRQ_HANDLER： B OS_CPU_IRQ_ISR

FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR

這里設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)中斷異常(IRQ)和快速中斷異常(FIQ)的中斷入口，其余異常都設(shè)置為死循環(huán)，當(dāng)發(fā)生這些異常的時(shí)候，必須使系統(tǒng)復(fù)位才能退出死循環(huán)。

3.2 移植中斷任務(wù)切換

中斷任務(wù)切換(OSIntCtxSw)和任務(wù)切換函數(shù)(OSCtxSw)比較相似，主要有以下幾步組成：

1)調(diào)用OSTask SwHook()

2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy

3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy

4)SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

//獲取高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)堆棧指針

5)從高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的堆棧中彈出高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)上下文

6)執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)

3.3 移植中斷服務(wù)程序

以IRQ中斷為例中斷服務(wù)程序(OS_CPU_IRQ_ISR)主要依據(jù)上面所描述的“uCOS II中斷響應(yīng)的過程”編寫，其主要代碼如下：

……

LDR R0，OS_IntNesting

LDRB R1，[R0]

ADD R1，R1，#1

STRB R1，[R0]

CMP R1，#l

BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

LDR R4，OS_TCBCur[!--empirenews.page--]

LDR R5，[R4]

STR SP，[R5]

OS_CPU_IRQ_ISR_1：

MSR CPSR_c，#(NO_INT | IRQ32_MODE)

//切換到SVC模式

LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

MOV LR，PC

BX R0

MSR CPSR_c，#(NO_INT | SVC32_MODE)

//切換到SVC模式

LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit()

MOV LR，PC

BX R0

……

在代碼中省略了現(xiàn)場(chǎng)工作寄存器的保護(hù)與恢復(fù)及工作模式的切換。

3.4 移植中斷處理程序

以IRQ中斷為例，移植中斷處理程序：

C程序

void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler(void){PFNCT pfnct; //定義中斷函數(shù)指針pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //獲取函數(shù)地址while(pfnct!=(PFNCT)0){(*pfnct)(); //調(diào)用中斷函數(shù)pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //獲取新的中斷函數(shù)} //所有中斷都執(zhí)行完畢退出}

中斷處理程序依賴中斷控制器的中斷響應(yīng)順序，所以u(píng)COS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()歸屬于用戶程序的一部分。在中斷返回之前，中斷處理程序要處理完所有的中斷響應(yīng)，以避免在多個(gè)中斷同時(shí)響應(yīng)或中斷處理過程中響應(yīng)中斷的情況下， 進(jìn)入OS_CPU_IRQ_ISR () 和退出OS_CPU_IRQ_ISR()時(shí)，OS_CPU_IRQ_ISR()耗盡保存CPU寄存器的堆?？臻g。

另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()中不要清CPSR的I位來開放中斷，因?yàn)闆]有必要使用中斷嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()在返回之前會(huì)檢查并處理所有的中斷。

3.5 編寫中斷函數(shù)

中斷函數(shù)一般采用C語言編寫，uCOS II建議中斷函數(shù)應(yīng)盡量短，一般做法是在中斷函數(shù)中緩存數(shù)據(jù)，給任務(wù)發(fā)送一個(gè)信號(hào)來處理數(shù)據(jù)。中斷函數(shù)的地址在系統(tǒng)初始化的時(shí)候要置人中斷向量寄存器(VICVectAddr0～15)。由于向量中斷控制器(VIC)的特殊結(jié)構(gòu)，在中斷函數(shù)中要寫一次中斷向量寄存器(VICV粗體ectAddr)。

4中斷處理的應(yīng)用示例

uCOS II要提供周期性信號(hào)源，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)。節(jié)拍率應(yīng)為10～100 Hz。時(shí)鐘節(jié)拍源可以由專門的硬件定時(shí)器產(chǎn)生，以下就以IRQ中斷方式產(chǎn)生節(jié)拍源為示例。

初始化中斷控制器：

C程序

void VICInit(void){

VICIntEnClr=0xfffff;

VICDefVectAddr=-(INT32U)Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= (INT32U)OSTickISR;

VICVectCntl0= (0x20 | 0x04);

VICIntEnable= 1《《4;

}

定時(shí)器0中斷函數(shù)：

C程序

void OSTickISR(void)

{

TO_IR = 0xff;

OSTimeTick(); //調(diào)用OSTimeTick()

VICVectAddr=0; //通知中斷控制器中斷結(jié)束

}

當(dāng)定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)調(diào)用OS_CPU_IRQ_ISR Handler()，得到OSTickISR()的地址并執(zhí)行，在OSTickISR()中調(diào)用OSTimeTick()為uCOS II提供周期性信號(hào)源。

此代碼在GNU工具鏈ARM-GCC下編譯通過，并在EasyARM2100開發(fā)實(shí)驗(yàn)板上得到驗(yàn)證。

通過示例講述了在uCOS II移植過程中的中斷處理所需要注意的幾個(gè)問題和通用方法，經(jīng)筆者在GNU工具鏈下編譯、調(diào)試，并在實(shí)驗(yàn)板上得到很好的驗(yàn)證。這種移植方案的中斷函數(shù)都使用C語言編寫，具有較好的移植性，有利于對(duì)不同需求的用戶進(jìn)行中斷擴(kuò)充，增強(qiáng)了中斷嵌套時(shí)uCOS II運(yùn)行的穩(wěn)定性，使移植具有更好的通用性。

1設(shè)置OS_CPU.H 中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

#define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt()

#define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt()

#define OS_STK_GROWTH 1

2用C 語言編寫六個(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;

stk = (unsigned int *)ptos;

*--stk = (unsigned int) task;

*--stk = (unsigned int) task;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = 0;

*--stk = (unsigned int) pdata;

*--stk = (SVC32MODE|0x0);

*-

-stk = (SVC32MODE|0x0);

return ((void *)stk);

}

void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)

{

ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告

}

void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)

{

ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告

}

void OSTaskSwHook (void)

void OSTaskStatHook (void)

void OSTimeTickHook (void)

后5 個(gè)函數(shù)為鉤子函數(shù)，可以不加代碼。

3用匯編語言編寫四個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU.ASM)

(1)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， [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 SPSR_cxsf， r4

LDMFD sp!， {r4} ; 從棧頂?shù)玫叫碌穆暶?/p>

MSR CPSR_cxsf， r4

LDMFD sp!， {r0-r12， lr， pc } ; 開始新的任務(wù)

END

(2)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ret 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[!--empirenews.page--]

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] ; 設(shè)置當(dāng)前新任務(wù)的TCB 地址set new current task TCB

address

LDMFD sp!， {r4}

MSR SPSR_cxsf， r4

LDMFD sp!， {r4}

MSR CPSR_cxsf， r4

LDMFD sp!， {r0-r12， lr， pc}

(3)OSIntCtxSw();中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)

LDMIA sp!，{a1-v1， lr}

SUBS pc， lr， #4

SUB lr， lr， #4

MOV r12， lr

MRS lr， SPSR

AND lr， lr， #0xFFFFFFE0

ORR lr， lr， #0xD3

MSR CPSR_cxsf， lr

(4)OSTickISR();中斷服務(wù)函數(shù)

STMDB sp!，{r0-r11，lr}

;interrupt disable(not nessary)

mrs r0， CPSR

orr r0， r0， #0x80 ; 設(shè)置中斷禁止標(biāo)

msr CPSR_cxsf， r0 ;中斷結(jié)束

; rI_ISPC= BIT_TIMER0;

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

完成了上述工作以后，μCOS-II 就可以正常運(yùn)行在ARM 處理器上了。