μC/OS-Ⅱ在ARM7上移植方法的探討與實(shí)現(xiàn)

    隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為一種軟件平臺(tái)已逐步成為國際嵌入式系統(tǒng)的主流，目前世界上已經(jīng)有一大批成熟的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，通常，對(duì)嵌入式軟件的基本要求是體積小、指令速度快、具有較好的裁減性和可移植性，目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很多，如VxWorks，Windows CE，pSOS，QNX，LynxOS等，這些操作系統(tǒng)都具有高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，但他們都是商業(yè)操作系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，人們往往很難接受，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是對(duì)這些商業(yè)操作系統(tǒng)的一個(gè)很大的沖擊。

       1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

       μC/OS-Ⅱ是源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一個(gè)自由操作系統(tǒng)。程序開發(fā)人員可以改寫源代碼，使之符合自己的要求，裁減掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活、并且能滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，μC/OS-Ⅱ可以將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的重要性來分配優(yōu)先級(jí)。任務(wù)的調(diào)度完全由μC/OS-Ⅱ的實(shí)時(shí)內(nèi)核完成，主要包括任務(wù)的狀態(tài)管理、選擇最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)和撤銷任務(wù)等，μC/OS-Ⅱ內(nèi)核還負(fù)責(zé)CPU時(shí)間分配，CPU時(shí)間總是優(yōu)先分配給中斷事件，其次是任務(wù)隊(duì)列中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，不同任務(wù)間的通信可以通過μC/OS-Ⅱ提供的信號(hào)量、郵箱、信息隊(duì)列等機(jī)制完成，他的絕大部分代碼是用C語言編寫的，可移植性強(qiáng)，因此1997年以后，在國際上逐漸被廣泛采用。

       2 其軟硬件體系及可移植性分析

       μC/OS-Ⅱ核心代碼很小，程序開發(fā)人員要把他移植到自己的目標(biāo)板中只需做少量的工作。圖1是基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。

       雖然μC/OS-Ⅱ大部分源代碼是用C語言寫的，但是完成和處理器有關(guān)的代碼時(shí)，還是用匯編語言來實(shí)現(xiàn)的，由圖1可以看出，μC/OS-Ⅱ的移植的主要工作是修改與處理器相關(guān)部分的代碼，他們集中在3個(gè)文件中，其中，OS_CPU.H包含與處理器相關(guān)的常量、宏和結(jié)構(gòu)體的定義；OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM中定義了用于底層的任務(wù)切換，退出中斷服務(wù)程序，在CPU級(jí)屏蔽中斷、打開中斷、對(duì)任務(wù)棧初始化以及時(shí)鐘的中斷服務(wù)程序的函數(shù)等，為了使應(yīng)用程序運(yùn)行于μC/OS-Ⅱ上，還要相應(yīng)地修改應(yīng)用中使用的硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

       3 μC/OS-Ⅱ的移植工作

       3.1 與應(yīng)用相關(guān)的代碼

       這一部分是用戶根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)來定制合適的內(nèi)核服務(wù)功能，包括2個(gè)文件：OS_CFG.H和INCLUDES.H。

       OS_CFG.H 用來配置內(nèi)核，用戶根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改，留下需要的部分，去掉不需要的部分，比如系統(tǒng)可提供的最大任務(wù)數(shù)量，是否定制郵箱服務(wù)，是否提供優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)改變功能等等，所有的配置更改包括頭文件的增減均在該文件中進(jìn)行。

       INCLUDES.H 系統(tǒng)頭文件，整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)程序所需要的文件，包括了內(nèi)核和用戶的頭文件，這樣使得用戶項(xiàng)目中的每個(gè).C文件不用分別去考慮他實(shí)際上需要哪些頭文件。

       3.2 與處理器相關(guān)的代碼

       這是移植中最關(guān)鍵的部分。內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層硬件有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要使同一個(gè)內(nèi)核能適用于不同的硬件體系，就需要在內(nèi)核和硬件之間有一個(gè)中間層，這就是與處理器相關(guān)的代碼，處理器不同，這部分代碼也不同，我們?cè)谝浦矔r(shí)需要自己處理這部分代碼，在μC/OS中這一部分代碼分成3個(gè)文件：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。

       3.2.1 OS_CPU.H

       包含了用#define定義的與處理器相關(guān) 的常量、宏和類型定義，具體有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義、棧增長(zhǎng)方向定義、關(guān)中斷和開中斷定義、系統(tǒng)軟中斷的定義等。

       （1）不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型

       μC/OS-Ⅱ不使用C語言中的short，int和long等數(shù)據(jù)類型的定義，因?yàn)樗麄兣c處理器類型有關(guān)，隱含著不可移植性，代之以移植性強(qiáng)的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，這樣，既直觀又可移植。根據(jù)ADS編譯器的特性，代碼為：

       typedef unsigned char BOOLEAN；
       typedef unsigned char INT8U；
       typedef signed char INT8S；
       typedef unsigned short INT16U；
       typedef signed short INT16S；
       typedef unsigned int INT32U；
       typedef signed int INT32S；
       typedef float FP32；
       typedef double FP64；
       typedef INT32U OS_STK；

       （2）使用軟中斷SWI做底層接口

       因?yàn)閹變量的ARM7處理器核具有兩個(gè)指令集，用戶任務(wù)可以使用兩種處理器模式，為了使底層接口函數(shù)與處理器狀態(tài)無關(guān)，同時(shí)在任務(wù)調(diào)用相應(yīng)函數(shù)時(shí)不需要知道該函數(shù)位置，本例使用軟中斷指令SWI作為底層接口，使用不同的功能號(hào)區(qū)分不同的函數(shù)，其SWI服務(wù)函數(shù)代碼為：
   

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       （3）OS_STK_GROWTH

       μC/OS-Ⅱ使用結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH指定堆棧的生長(zhǎng)方式，其代碼為：

       #define OS_STK_GROWTH 1

       3.2.2 OS_CPU_C.C

       包含了與移植有關(guān)的C函數(shù)，包括堆棧的初始化和一些鉤子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，但是最重要的是OSTaskStkInit（）函數(shù)，該函數(shù)是在用戶建立任務(wù)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部自己調(diào)用的，用來對(duì)用戶任務(wù)的堆棧初始化。在ARM7體系結(jié)構(gòu)下，任務(wù)堆?？臻g由高至低遞減，依次保存著PC，LR，R12，…，R1，R0，CPSR的初始化堆棧結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶初始化了堆棧，OSTaskStkInit（）就返回新的堆棧指針STK所指的定地址。OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）會(huì)獲得該地址并將他保存到任務(wù)控制塊TCB中，其他的幾個(gè)鉤子函數(shù)必須聲明，但可以不包含任務(wù)代碼，這些鉤子函數(shù)在本移植中全為空函數(shù)。

       3.2.3 OS_CPU_A.S

       μC/OS-Ⅱ移植的絕大部分工作都集中在OS_CPU_A.S文件的移植上，在這個(gè)文件里，最困難的工作又集中體現(xiàn)在OSIntCtxSw和OSTickISR這兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)上。這是因?yàn)檫@兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關(guān)硬件定時(shí)器、中斷寄存器的設(shè)置有關(guān)，在實(shí)際的移植工作中，這兩個(gè)地方也是比較容易出錯(cuò)的地方，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，包括4個(gè)子函數(shù)：OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）、OSTickISR（）。

       OSStartHighRdy（）該函數(shù)首先調(diào)用鉤子函數(shù)OSTaskSwHook（），然后將OSRunning標(biāo)志位設(shè)置為真，表示任務(wù)開始執(zhí)行，從而保證任務(wù)切換操作的正確執(zhí)行，緊接著從具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)控制塊中取得任務(wù)的堆棧指針，初始化堆棧指針寄存器SP，然后恢復(fù)其他的寄存器，開始執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

       OSCtxSw（）該函數(shù)在任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用，首先保存處理器寄存器，將當(dāng)前SP存入任務(wù)TCB中，載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP，從新任務(wù)的任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所有寄存器的值，然后執(zhí)行中斷返回指令。

       OSIntCtxSw（）該函數(shù)是在ISR中執(zhí)行任務(wù)切換功能，其原理基本上與任務(wù)級(jí)的切換相同，區(qū)別只是ISR已經(jīng)保存了CPU的寄存器，因此不要再進(jìn)行類似的操作，只需對(duì)堆棧指針作相應(yīng)的調(diào)整即可。

       OSTickISR（）該函數(shù)是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，首先要保存處理器寄存器，接著調(diào)用OSIntEnter（）函數(shù)，以保證中斷嵌套層數(shù)不超過255層，如果滿足了該條件，則把堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊TCB中，然后給產(chǎn)生中斷的設(shè)備清中斷，重新允許中斷，接下來調(diào)用OSTimeTick（）來維持μC/OS-Ⅱ內(nèi)部的定時(shí)以及調(diào)用OSIntExit（）函數(shù)決定是否因?yàn)檫@個(gè)中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，使得更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒。

       4 μC/OS-Ⅱ的測(cè)試

       做完移植工作以后，就要測(cè)試移植是否正確，這其實(shí)是移植過程的最后一步，應(yīng)該首先不加任何用代碼來測(cè)試移植好的μC/OS-Ⅱ，即應(yīng)該首先測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行狀況，這樣做的目的是如果有些部分未能正常工作，那就是移植本身的問題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題，主要分為以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行移植的測(cè)試：

       首先，必須了解處理器所使用的編譯器系統(tǒng)，這個(gè)步驟取決于使用的編譯器，在這期間是無代碼的測(cè)試，其次，要驗(yàn)證OSTaskStkInit（）和OSStartHighRdy（）函數(shù)，在OS_CFG.H文件中設(shè)置OS_TASK_STAT_EN為0，只讓一個(gè)空閑任務(wù)OS_TaskIdle（）運(yùn)行，檢查是否出錯(cuò)，然后需要驗(yàn)證任務(wù)級(jí)切換OSCtxSw（）函數(shù)，在測(cè)試任務(wù)TaskTest（）中加入OSTimeDly（）函數(shù)，OSTimeDly（）函數(shù)接著調(diào)用OS_Sched（），OS_Sched（）調(diào)用匯編語言編寫的函數(shù)OSCtxSw（）函數(shù)，如果是正確配置了SWI，CPU就會(huì)開始執(zhí)行OSCtxSw（），最后，需要驗(yàn)證OSIntCtxSw（）和OSTickISR（）函數(shù)。

       當(dāng)上述的這些測(cè)試步驟都成功后，可以嘗試運(yùn)行一些具體的任務(wù)，按照由簡(jiǎn)到繁的過程不斷使測(cè)試變得復(fù)雜，來進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)核的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能。

       這里建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的LED燈閃爍控制任務(wù)，其代碼如下：
 

       加載后，LED燈閃爍控制正常，則測(cè)試成功，內(nèi)核正常運(yùn)轉(zhuǎn)，若測(cè)試出現(xiàn)問題，就要認(rèn)真找出問題所在，不可忽略硬件的問題，還有編譯器等，當(dāng)然也可以采用其他的測(cè)試，如串口的測(cè)試等。

       5 結(jié)語

       以上所述為μC/OS-Ⅱ在ARM7上移植的通用方法，但針對(duì)不同的處理器還需要作適當(dāng)?shù)男薷?，RTOS是當(dāng)今嵌入式應(yīng)用的熱點(diǎn)，應(yīng)用RTOS，可以提高產(chǎn)品的可靠性，降低研發(fā)周期，其中μC/OS-Ⅱ具有很好的實(shí)時(shí)性和很小的代碼量，占用空間少，執(zhí)行效率高，移植方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此掌握μC/OS-Ⅱ的移植方法是相當(dāng)重要的。