μC/OS2Ⅱ在軍用FM80386EX處理器上的移植應(yīng)用

μC/OS-Ⅱ是實時操作系統(tǒng)(RTOS),已經(jīng)通過了非常嚴(yán)格的測試,得到了美國航空管理局(FederalAviationAdministration)的認(rèn)證.μC/OS-Ⅱ功能強大,支持56個用戶任務(wù),其內(nèi)核為占先式,支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程通信機制,現(xiàn)已成功應(yīng)用到眾多商業(yè)嵌入式系統(tǒng)中,是1種成熟穩(wěn)定的實時內(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ANSIC語言書寫,程序可讀性強,移植性好.同時,它可以免費獲得,即使商業(yè)應(yīng)用也只收取少量的許可費用.因此,對μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究、開發(fā)、應(yīng)用具有重要的意義.

　　軍用FM80386EX嵌入式處理器是1種高度集成,32位總線結(jié)構(gòu),專為惡劣環(huán)境下的嵌入式控制應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的全靜態(tài)CPU.它采用16位外部數(shù)據(jù)總線,26位地址總線及Intel系統(tǒng)管理模式(SMM),能在廉價的16位硬件系統(tǒng)中運行32位程序,可將基于Intel386架構(gòu)的大量軟件應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng).為了有效地管理多任務(wù),以及滿足系統(tǒng)的實時性要求,常常需要使用實時嵌入式操作系統(tǒng).

　　要移植μC/OS-Ⅱ,處理器必須滿足以下要求:處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;用C語言可以打開和關(guān)閉中斷;處理器支持中斷,并且能產(chǎn)生定時中斷;處理器能容納一定數(shù)量的硬件堆棧;處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出、存儲到堆棧或內(nèi)存中的指令.FM80386EX滿足以上條件,可以進(jìn)行μC/OS-Ⅱ的移植.

　　μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層,每個任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨占了CPU,因此任務(wù)被設(shè)計成了1個無限循環(huán).而μC/OS-Ⅱ與處理器無關(guān)的代碼提供了該實時系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù),應(yīng)用程序利用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理,任務(wù)間的通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等.μC/OS-Ⅱ的代碼大部分是使用ANSIC書寫,與微處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫,并且匯編語言編寫的部分已經(jīng)壓倒最低限度,因此μC/OS-Ⅱ的可移植性好.而處理器80386具有堆棧指針、CPU內(nèi)部寄存器入棧、出棧指令.所使用的C編譯器BorlandC3.1支持內(nèi)嵌匯編,使得關(guān)中斷和開中斷能在C語言程序中實現(xiàn).

　　實時內(nèi)核μC/OS-Ⅱ在FM80386EX上的移植

　　我們使用BorlandC3.1編譯器移植μC/OS-Ⅱ主要包括以下幾個步驟:

　　編寫OS-CPU.A.ASM

　　這里要實現(xiàn)4個匯編函數(shù)改寫:多任務(wù)啟動函數(shù)中調(diào)用OSOSTartHighRdy(),任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw(),中斷任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtrSw(),時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTickISR().

　　1) OSStartHighRdy()函數(shù).該函數(shù)被OSStart()函數(shù)調(diào)用,功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù),其主要代碼如下:

2) OSCtxSW()函數(shù).該函數(shù)被OS-Sched()函數(shù)調(diào)用,通常是用匯編語言編寫的,因為C編譯器不能從C語言中

直接處理CPU寄存器.OSCtxSW()的功能是在任務(wù)級實現(xiàn)任務(wù)切換,任務(wù)切換是模擬軟中斷來實現(xiàn)的,其主要代碼如下:

圖1任務(wù)級任務(wù)切換時的堆棧結(jié)構(gòu)

　　3) OSIntCtxSw( )函數(shù).該函數(shù)只能在中斷子程序里被OSIntExit()函數(shù)調(diào)用.由于中斷的產(chǎn)生可能引起任務(wù)切換,在中斷服務(wù)程序的最后會調(diào)用OSIntExit()函數(shù)來檢查任務(wù)就緒狀態(tài),如果滿足任務(wù)切換條件,則OSIntExit()調(diào)用此函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)切換,除了不應(yīng)調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)OS-TASK-SW()外,其余代碼與-OSCtxSw相同.

　　4) OSTickISR( )函數(shù).發(fā)生中斷時,CPU的中斷向量會指向該ISR.其主要代碼如下:

一般情況下,產(chǎn)生調(diào)用OSTickISR()函數(shù)時,時鐘節(jié)拍的設(shè)備應(yīng)設(shè)置成每隔10～100ms產(chǎn)生1次中斷.必須在多任務(wù)系統(tǒng)啟動以后,也就是在調(diào)用OSStart()之后,再開啟時鐘節(jié)拍器.

　　用C語言編寫6個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)

后5個函數(shù)是鉤子函數(shù),可以不加代碼:

設(shè)置OS-CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

　　80386處理器的堆棧從內(nèi)存高地址向低地址遞減,所以把OS-STK-GROWTH置1.

完成上述工作后,μC/OS-Ⅱ就可以運行在80386處理器上了.另外根據(jù)用戶需求按需配置OS-CFG.H,裁減μC/OS-Ⅱ,使之占用盡量少的內(nèi)存.

[!--empirenews.page--]　測試

　　為了驗證μC/OS-Ⅱ內(nèi)核運行的正確性,編寫了以下測試程序:系統(tǒng)時鐘周期設(shè)為20ms,設(shè)置4個任務(wù),Task1.Task4,任務(wù)的優(yōu)先級分別為4,5,6,7,每個任務(wù)都有1個變量TasknData;任務(wù)1和任務(wù)2延時50個系統(tǒng)周期,任務(wù)3和任務(wù)4延時100個系統(tǒng)周期,每執(zhí)行1次任務(wù)循環(huán),將該任務(wù)的變量加1,如下:

　每次運行10s,觀察OSTime變量與TasknData的值.其中OSTime記錄了系統(tǒng)時鐘數(shù).初值均為0,10s后,得到如下的值:

結(jié)果分析:10s系統(tǒng)時鐘應(yīng)該是10×50=500≈510;任務(wù)1和任務(wù)2每個循環(huán)延時50個系統(tǒng)周期,也就是1s,所以10s內(nèi)應(yīng)該運行10次;任務(wù)3與任務(wù)4在10s內(nèi)應(yīng)該運行5次;上面的結(jié)果可以證明內(nèi)核已經(jīng)正常運行,并實現(xiàn)基本任務(wù)調(diào)度;為了便于分析程序運行的先后順序,在每個任務(wù)中加入myprintf語句,把任務(wù)4改為打印任務(wù),為最低.在任務(wù)1中加入1個發(fā)送郵箱,任務(wù)2中加入接受郵箱.

運行10s后,PC串口接受到如下數(shù)據(jù)(省略“Iamthetask”前綴):2a1a2b2a1b31a2b2a1b2b1b31a2b2a1b1a2b1b3.....從該次試驗結(jié)果分析可看出,內(nèi)核的通訊功能運行正常.

　　移植分析

　　1) 在中斷子程序里啟動任務(wù)的方法.使用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)后,為了縮短中斷處理時間,常常需要將某些比較費時的程序作為任務(wù)從中斷子程序里獨立出來,同時,這個任務(wù)又需要由中斷來激活.我們可以通過信號量、郵箱、消息隊列來實現(xiàn)這個目的.以郵箱為例,在C程序中,需要先創(chuàng)建郵箱MyMbox,在調(diào)用OSMboxPend()函數(shù)等待消息,在中斷子程序里發(fā)送就可以了.

　　2) μC/OS-Ⅱ內(nèi)存管理不夠完善.在μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用實例中我們發(fā)現(xiàn),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.定義大了,造成內(nèi)存的浪費;定義小了,系統(tǒng)會崩潰.我們通過把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)管理來解決上述問題.

　　3) 對代碼臨界區(qū)的改進(jìn).對于內(nèi)核程序,在較長的臨界段代碼中插入可重入點;對于可供用戶調(diào)用的函數(shù)用信號量機制改寫1遍,主要是改寫有關(guān)信號量的函數(shù).

　　4) 系統(tǒng)時鐘中斷的改進(jìn).μC/OS-Ⅱ中,系統(tǒng)時鐘中斷的核心函數(shù)是OSTimeTick,該函數(shù)查找每1個延時的任務(wù)是否到期,如果到期則將其放入就緒列表,也就是內(nèi)核只提供延時OSTimeDly()函數(shù).但在許多情況下需要延時一定時間以觸發(fā)某1個事件的發(fā)生,或者需要1個定時器.這里借鑒了Linux內(nèi)核原理,引入了32個靜態(tài)定時器.

　　運行時需要注意的問題

　　由于DOS下的C編譯器提供的運行庫沒有考慮多線程應(yīng)用的問題,運行庫中的全局變量和部分函數(shù)只適用于單線程.這些函數(shù)包括errno,-doserrno,strtok,sterror,tmpnam,tmpfile,asctime,gmtime,ecvt,fcvt等.在μC/OS-Ⅱ中使用這些函數(shù)時應(yīng)注意,要避免2個任務(wù)同時調(diào)用這些函數(shù),我們可以使用信號量同步對這些函數(shù)進(jìn)行調(diào)用.DOS是不能重入的,在調(diào)用DOS服務(wù)期間,是不能再次調(diào)用DOS的,否則會引起系統(tǒng)的崩潰.所以在μC/OS-Ⅱ中,可以調(diào)用BIOS或直接操縱硬件,但應(yīng)盡量減少DOS重入.

　　結(jié)語

　　μC/OS-Ⅱ和其他一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)不同,它的啟動過程比較簡單.μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核是和應(yīng)用程序放在一起編譯成1個文件,使用者只需要把這個文件轉(zhuǎn)換格式寫入ROM中就可以運行了.上電后,它會和普通程序一樣運行.通過詳細(xì)研究μC/OS-Ⅱ的特點和內(nèi)核結(jié)構(gòu),完成了μC/OS-Ⅱ在軍用FM80386EX上的移植并對相關(guān)代碼并詳盡的對內(nèi)核進(jìn)行測試、分析,對內(nèi)存管理、代碼臨界區(qū)、信號量機制提出改進(jìn)方法,使之更加有效的在處理器上運行.移植成功后,μC/OS-Ⅱ可實時的完成各個任務(wù)的調(diào)度,并且通過嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在各個任務(wù)間實現(xiàn)通信.μC/OS-Ⅱ具有良好的實時性和很小的代碼量,隨著各種智能嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜化和系統(tǒng)實時性需求的提高,功能強大的實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ?qū)懈蟮陌l(fā)展空間.