μCOS-II在A(yíng)RM Cortex-M3處理器上的移植

摘要：Cortex-M3是ARM公司最新推出的基于A(yíng)RMv7-M架構(gòu)的低功耗處理器。在深入了解μCOS-II工作原理和Cortex-M3特性的基礎(chǔ)上，給出了在STWl32F103ZE處理器上的詳細(xì)移植過(guò)程。將移植后的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)應(yīng)用于移動(dòng)多媒體直放站CMMB項(xiàng)目中，驗(yàn)證了移植的成功。這對(duì)于管理硬件資源，縮短開(kāi)發(fā)周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：Cortex-M3；μCOS-Ⅱ；移植；嵌入式系統(tǒng)

0 引言
    嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到了人們工作、生活中的各個(gè)領(lǐng)域，嵌入式處理器已占分散處理器市場(chǎng)份額的94％，其中ARM的應(yīng)用最為廣泛。基于A(yíng)RM內(nèi)核的處理器以其諸多優(yōu)異性能而成為各類(lèi)產(chǎn)品中選用較多的處理器之一。
    當(dāng)系統(tǒng)越來(lái)越大，應(yīng)用越來(lái)越多時(shí)，就出現(xiàn)了如何管理眾多的硬件資源，以及如何滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求和如何提高系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)效率等不可回避的問(wèn)題。這時(shí)，使用嵌入式操作系統(tǒng)很有必要。操作系統(tǒng)的主要作用有：統(tǒng)一管理系統(tǒng)資源；為用戶(hù)提供訪(fǎng)問(wèn)硬件的接口；調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序和管理文件系統(tǒng)等。

1 概述
    μC／OS-II是著名的、源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專(zhuān)為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于各類(lèi)8位、16位和32位處理器。μC／OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用，包括諸多領(lǐng)域，如手機(jī)、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制等。實(shí)際上，μC／OS-II已經(jīng)通過(guò)了非常嚴(yán)格的測(cè)試，并且得到了美國(guó)航空管理局的認(rèn)證，可以用在飛行器上。這說(shuō)明μC／OS-II是穩(wěn)定可靠的。
    Cortex-M3是一款低功耗處理器，具有門(mén)數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該處理器采用最新的ARMv7-M架構(gòu)。還具有如下特性：
    (1)采用Thumb-2指令集。在Thumb-2中，16位指令首次與32位指令并存，代碼密度得到很大改善。
    (2)Cortex-M3處理器可配置為具有SW-DP或JTAG-DP調(diào)試端口。
    (3)使用可選的MPU對(duì)處理器提供存儲(chǔ)器保護(hù)。
    (4)具有嵌套向量中斷控制器(NVIC)，低延遲的異常處理。
    本論文采用的是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZE處理器，詳細(xì)論述了μC／OS-Ⅱ的移植過(guò)程。編譯環(huán)境采用的是RVMDKV3．7。

2 移植工作
    所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在指定的微處理器上運(yùn)行。為了方便移植，大部分μC／OS-II的代碼都是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，但是仍需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)一些與處理器硬件相關(guān)的代碼。μC／OS-II是第一個(gè)支持Cortex的RTOS，圖1顯示應(yīng)用程序、μC／OS-II、port和BSP四者之間的關(guān)系。具體移植工作主要涉及到頭文件OS_CPU．H、C語(yǔ)言文件OS_CPU_C．C以及匯編格式文件OS_CPU_A．ASM。

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2. 1 OS_CPU.H
    OS_CPU．H包含處理器需要的用#defines語(yǔ)句定義的、與處理嘉相關(guān)的常數(shù)、宏以及類(lèi)型。因?yàn)椴煌奶幚砥饔胁煌淖珠L(zhǎng)，μC／OS-II的移植包括了一系列的數(shù)據(jù)類(lèi)型定義，以確保其可移植性。μC／OS-II內(nèi)核代碼不使用C語(yǔ)言中的short、int及l(fā)ong等數(shù)據(jù)類(lèi)型，因?yàn)樗鼈兪蔷幾g器相關(guān)的，是不可移植的。Cortex-M3是32位處理器，同時(shí)參照RVMDK編譯器文檔，對(duì)μC／OS-II內(nèi)核中的數(shù)據(jù)類(lèi)型作如下定義：
…
typedef unsigned int OS_STK；
typedef unsigned int OS_CPU_SR；
    OS_STK定義的是32位寬的堆棧入口地址數(shù)據(jù)類(lèi)型，OS_CPU_SR定義的是32位寬的Cortex-M3處理器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)類(lèi)型。
    和所有的實(shí)時(shí)內(nèi)核一樣，μC／OS-II為了訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)的代碼需要關(guān)閉中斷，訪(fǎng)問(wèn)完，重新使能中斷。為了增加可移植性，μC／OS-II定義了兩個(gè)宏分別關(guān)閉和使能中斷一OS_ENTER_CRITICAL()、OS_EXIT_CRITICAL()。μC／OS-II定義了三種關(guān)閉和使能中斷方法，只需要使用其中一個(gè)。多數(shù)情況下，推薦使用OS_CRITICAL_METHOD#3。
    OS_CRITICAL_METHOD#3通過(guò)寫(xiě)一個(gè)保存CPU狀態(tài)寄存器在一個(gè)臨時(shí)變量里的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)OS_ENTER_CRITICAL()。OS_EXIT_CRITICAL()調(diào)用另一個(gè)函數(shù)從臨時(shí)變量恢復(fù)CPU狀態(tài)寄存器。
    絕大多數(shù)微處理器和控制器的堆棧是從上往下遞減的，但是也有些處理器使用的是相反的方式。μC／OS-II對(duì)兩種都可以處理，只要配置常數(shù)OS_STK_GROWTH指定堆棧的方向就可以了。ARM Cortex-M3的堆棧增長(zhǎng)是從高內(nèi)存地址往低內(nèi)存地址，因此，OS_STK_GROWTH應(yīng)該設(shè)置為l。
2. 2 OS_CPU_C．C
    移植μC／OS-Ⅱ要求編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言函數(shù)，但唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit()，其他9個(gè)函數(shù)必須申明，但并不一定要包含任何代碼，允許用戶(hù)在必要時(shí)添加擴(kuò)展OS功能的代碼。
    OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通過(guò)調(diào)用OSTaskStklnit()，初始化任務(wù)堆棧。因此，堆?？雌饋?lái)像中斷剛發(fā)生過(guò)一樣，所有寄存器都保存在堆棧中。多數(shù)CPU寄存器的初始值并不重要，但是為了方便調(diào)試和檢查堆棧，用寄存器序號(hào)去初始化它們。寄存器的順序是重要
的，應(yīng)該和ARM Cortex-M3在發(fā)生異常時(shí)的堆棧順序一樣。
2. 3 OS_CPU_A．ASM
    移植μC／OS-II要求編寫(xiě)5個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)。
    OS_CPU_SR_Save()
    OS_CPU_SR_Restore()
    OSStartHighRdy()
    OSCtxSw()
    OSIntCtxSw()
    OS_CPU_SR_Save()按照OS_CRITICAL_METHOD#3的方式，首先保存中斷屏蔽寄存器，接著關(guān)閉中斷。這個(gè)函數(shù)被宏OS_ENTER_CRITICAL()調(diào)用。當(dāng)這個(gè)函數(shù)返回時(shí)，RO包含關(guān)閉中斷前的中斷屏蔽寄存器的狀態(tài)。
    OS_CPU_SR_Restore()恢復(fù)在調(diào)用OS_ENTER_CRITICAL()之前中斷屏蔽寄存器的原值。也就是說(shuō)，若在調(diào)用OS_ENTER_CKJTICAL()之前中斷是關(guān)閉的，調(diào)用之后仍是關(guān)閉的。
    OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()來(lái)運(yùn)行在調(diào)用OSStart()之前創(chuàng)建的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。OSStart()設(shè)置OSTCBHighRdy指向最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的OS_TCB。
    當(dāng)一個(gè)任務(wù)放棄對(duì)CPU的控制時(shí)，OS_TASK_SW()宏被調(diào)用，實(shí)際最終調(diào)用的是OSCtxSw()函數(shù)。通常，OSCtxSw()應(yīng)該實(shí)現(xiàn)任務(wù)上下文切換，但是在A(yíng)RM Cortex-M3中，所有的上下文切換由pendSV句柄來(lái)完成。OSCtxSw()僅僅觸發(fā)PendSV句柄，再返回到調(diào)用處。
    ISR完成后，調(diào)用OSIntExit()查看是否有比中斷任務(wù)更重要的任務(wù)需要去執(zhí)行。若確實(shí)如此，OSIntExit()調(diào)用OSIntCtxSw()決定下一步將要運(yùn)行哪一個(gè)任務(wù)。然而，和OSCtxSw()一樣，僅僅觸發(fā)PendSV句柄，再返回到調(diào)用處。
    限于篇幅，不詳細(xì)列出5個(gè)函數(shù)的源代碼。
2．4 PendSV句柄及系統(tǒng)滴答
    PendSV句柄函數(shù)為μC／OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)所有的上下文切換。這是ARM Cortex-M3推薦的上下文切換方法。這是因?yàn)?strong>ARM Cortex-M3發(fā)生任何異常時(shí)，自動(dòng)保存多個(gè)寄存器，異常返回時(shí)自動(dòng)恢復(fù)這些寄存器。PendSV僅僅需要保存R4-Rll和調(diào)整堆棧指針。不管是任務(wù)的初始化還是中斷或
異常引發(fā)的PendSV異常都是采用同樣的方法實(shí)現(xiàn)保存和恢復(fù)上下文。
    μC／OS-Ⅱ要求用戶(hù)提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)和超時(shí)功能。Cortex-M3的系統(tǒng)滴答定時(shí)器是專(zhuān)門(mén)為RTOS設(shè)計(jì)的。可以在OSStart()運(yùn)行后，μC／OS-II啟動(dòng)運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù)中調(diào)用OS_CPU_SysTickInit()初始化系統(tǒng)滴答定時(shí)器并使能中斷。
    需要注意的是：在系統(tǒng)啟動(dòng)代碼中，初始化中斷向量時(shí)，向量14和15應(yīng)放置PendSV和SysTick對(duì)應(yīng)的句柄。[!--empirenews.page--]

3 測(cè)試移植代碼
    至此，基本完成移植源代碼的編寫(xiě)和修改，緊接著的工作就是驗(yàn)證移植的μC／OS-Ⅱ是否正常工作，而這可能是移植中最復(fù)雜的一步。應(yīng)該首先不加任何應(yīng)用代碼來(lái)測(cè)試移植好的μC／OS-Ⅱ，也就是說(shuō)測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行情況。若有些部分沒(méi)有正常工作，可以明白是移植本身的問(wèn)題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問(wèn)題。若將基本的任務(wù)和時(shí)鐘節(jié)拍運(yùn)行起來(lái)，接下來(lái)添加應(yīng)用任務(wù)將是非常簡(jiǎn)單的。
    首先在RVMDK中建立新工程，添加STM32F103ZE的啟動(dòng)代碼，確保C編譯器、匯編器和鏈接器能正常工作。將μC／OS-II移植代碼添加到工程中，使用源代碼調(diào)試器逐一驗(yàn)證移植函數(shù)。工程管理窗口如圖所示：

4 結(jié)語(yǔ)
    在成功驗(yàn)證移植代碼之后，將μC／OS-II應(yīng)用于移動(dòng)多媒體直放站CMMB項(xiàng)目中，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明本移植是成功的。在CMMB項(xiàng)目采用μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，提高了研發(fā)效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。