嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的移植實例

摘要：隨著科技的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，為了進行射頻功率校準(zhǔn)系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)，需要將嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS -Ⅱ移植到sharp lh79520微處理器上。分析了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的代碼結(jié)構(gòu)，接著，對目前流行的嵌入式微處理器sharp lh795 20的特點進行了說明，詳細介紹了μC／OS-Ⅱ在sharp lh79520處理器上的移植過程，特別對OS_CPU_A．ASM文件的修改給出了詳細的移植代碼，最后對移植的代碼進行了嚴(yán)格的測試，結(jié)果表明移植后的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核運行穩(wěn)定可靠，驗證了移植的成功。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；μC／OS-Ⅱ；sharp lh79520；ARM7TDMI；移植

0 引言
    在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，Jean J．Labrosse開發(fā)的μC／OS，由于開放源代碼和強大而穩(wěn)定的功能，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強烈反響。   μC／OS-Ⅱ開放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過對于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入了解，能更加方便地進行開發(fā)和調(diào)試；并且在這種條件下，完全可以按照設(shè)計要求進行合理的裁減、擴充、配置和移植。自1992第1版問世以來，已有成千上萬的開發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)得到認(rèn)證，現(xiàn)已經(jīng)通過美國FAA認(rèn)證。

1 μC／OS-Ⅱ簡介
1．1 μC／OS-Ⅱ的特點
    μC／OS-Ⅱ是一個完整、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC／OS-Ⅱ用ANSIC語言編寫，包含一小部分匯編語言代碼，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC／OS-Ⅱ可以管理64個任務(wù)，具有信號量、互斥信號量、事件標(biāo)志組、消息郵箱、消息隊列、任務(wù)管理、時間管理和內(nèi)存管理等系統(tǒng)功能。
    μC／OS-Ⅱ可以大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個部分。μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要工作就是對任務(wù)進行管理和調(diào)度。從應(yīng)用程序設(shè)計的角度來看，μC／OS-Ⅱ的任務(wù)就是一個線程，就是一個用來解決用戶問題的C語言函數(shù)和與之相關(guān)聯(lián)的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的一個實體。
    從任務(wù)的存儲結(jié)構(gòu)來看，μC／OS-Ⅱ的任務(wù)由3個部分構(gòu)成：任務(wù)程序代碼、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊。其中，任務(wù)控制塊用來保存任務(wù)屬性；任務(wù)堆棧用來保存任務(wù)工作環(huán)境；任務(wù)程序代碼是任務(wù)的執(zhí)行部分。
1．2 μC／OS-Ⅱ的系統(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)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨占了CPU，因而可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。μC／OS-Ⅱ處理器無關(guān)的代碼，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)進行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

2 SHARP LH79520微處理器簡介
    LH79520微處理器是夏普公司(SHARP)設(shè)計的32位ARM7TDMI RISC處理器核，具有低功耗、高性能的特點，主要功能描述如下：工作在77．414 4 MHz，帶8 kHz緩存的2．5 V的靜態(tài)ARM7TDMI CPU核；一個集成的SDRAM控制器和靜態(tài)存儲器控制器；DMA控制器；彩色LCD控制器(CLCDC)；同步串行口(SSP)；集成了3個通用異步收發(fā)器(UART)；脈寬調(diào)制器(PWM)，最高到16位的分辨率；矢量中斷控制器包含了對20個內(nèi)部和8個外部中斷源中斷請求的控制和應(yīng)用；看門狗定時器Watchdog Timer；提供最多86位的可編程輸入／輸出口(GPIO)。

3 μC／OS-Ⅱ的移植
    由于μC／OS-Ⅱ是一個通用性的操作系統(tǒng)，所以對于關(guān)鍵問題上的實現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。
    基于ARM7TDMI的處理器LH79520完全滿足移植的要求，本文將μC／OS-Ⅱ移植到LH79520上，使用IAR EWARM作為編譯器，修改與處理器類型有關(guān)部分的代碼。
    將μC／OS-Ⅱ移植到ARM處理器上，大部分的修改工作集中在3個和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件中，這3個文件是OS_CPU_C．C，OS_CPU_C．h及OS_CPU_A．s，下面分別介紹這3個文件的移植過程。
3．1 修改OS_CPU．H文件
    OS_CPU．H文件包括了用#define語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型。[!--empirenews.page--]
3．1．1 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，因為它們與處理器類型有關(guān)，隱含著不可移植性。代之以移植性強的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，這樣，既可直觀又可移植，不過這就成了必須移植的代碼。根據(jù)IAR EWARM C編譯器的特性，特做如下定義：
   
3．1．2 代碼臨界區(qū)
    RTOS在進入系統(tǒng)臨界區(qū)前必須關(guān)閉中斷，退出臨界區(qū)后再開中斷，μC／OS-Ⅱ定義了2個宏來開／關(guān)中斷：
   
3．1．3 堆棧增長方向
    堆棧增長方向與編譯器有關(guān)，在μC／OS-Ⅱ中，用OS_STK_GROWTH來設(shè)置堆棧的增長方向，OS_STK_GROWTH為O表示堆棧從低地址向高地址方向增長；OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從高地址向低地址方向增長，在本例中堆棧從高地址向低地址方向增長，其宏定義為：
    #define OS_STK_GROWTH 1；／*堆棧從高地址向低地址增長*／[!--empirenews.page--]
3．2 修改OS_CPU_C．C文件
3．2．1 任務(wù)堆棧初始化
    修改OSTaskStkInit()函數(shù)，OSTaskStkInit()由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExT()調(diào)用，用來初始化任務(wù)的堆棧。OS Task StkInit()與調(diào)用它的函數(shù)由3個參數(shù)進行傳遞：任務(wù)代碼起始地址(task)，參數(shù)指針(p_arg)，任務(wù)堆棧頂?shù)刂?ptos)。

    后5個函數(shù)為鉤子函數(shù)，如無特殊需求可以不加代碼。
3．2．2 中斷級任務(wù)切換函數(shù)
    OSIntCtxSw()函數(shù)通過設(shè)置一個全局變量OSIntCtxSwFlag標(biāo)志以表示在中斷服務(wù)程序中進行任務(wù)切換，并在OSTickISR()中判斷該變量以進行正確的動作。
   
3．3 修改OS_CPU_A．ASM文件
    在此文件中需改寫4個函數(shù)：OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()和OSTickISR()。
3．3．1 OSStartHighRdy()函數(shù)
    該函數(shù)由OSStart()調(diào)用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，其代碼如下：
   
        [!--empirenews.page--]
3．3．2 OSCtxSw()函數(shù)
    此函數(shù)用以實現(xiàn)任務(wù)級的切換，實現(xiàn)由低優(yōu)先級任務(wù)向高優(yōu)先級任務(wù)切換。此函數(shù)被任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched()調(diào)用，實現(xiàn)任務(wù)切換，其代碼如下：
   
3．3．3 OSIntCtxSw()函數(shù)
    該函數(shù)的作用是在時鐘中斷服務(wù)例程中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級任務(wù)等待的時鐘信號到來時，則在中斷退出后并不返回被中斷任務(wù)，而是直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行，這樣做能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實時性能。
    OSIntCtxSw()函數(shù)中大部分代碼同OSCtxSw()函數(shù)是一樣的，區(qū)別只是，需要保存中斷模式下的堆棧，在切換到用戶模式下運行新任務(wù)。
3．3．4 OSTickISR()函數(shù)
    OSTickISR()是μC／OS-Ⅱ的時鐘節(jié)拍函數(shù)，主要實現(xiàn)任務(wù)的切換，其代碼如下：
   
   

4 測試移植代碼
    上述的移植工作是最基本的內(nèi)容，除此之外，還要加上硬件初始化和相應(yīng)的配置文件。
    為了驗證μC／OS-Ⅱ移植成功，需要測試移植代碼。首先不加任何應(yīng)用代碼來測試移植好的μC／OS-Ⅱ，也就是說先測試內(nèi)核自身的運行情況是否良好。
    內(nèi)核運行良好時，通過以下4個步驟測試移植代碼的運行：
    (1)確保C編譯器、匯編編譯器和連接器的正常工作；
    (2)驗證OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函數(shù)的正確運行；
    (3)驗證OSCtxSw()函數(shù)；
    (4)驗證OSIntCtxSw()和OSTickIsr()函數(shù)的正確運行。
    若全部能夠正常運行，那就是移植的μC／OS-Ⅱ已經(jīng)能夠正常的工作了，可以添加應(yīng)用任務(wù)了。

5 結(jié)語
    嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的使用使得程序的可讀性、可靠性、可擴展性有很大的改善。本文從實際出發(fā)，給出源代碼開放嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ在微處理器LH79520上的移植方案，移植后的操作系統(tǒng)順利經(jīng)過測試，運行穩(wěn)定，并達到了實時系統(tǒng)的要求。