用AndesCore N1033A-S處理器如何實現(xiàn)μC/OS-II的移植？

μC/OS-II是一種代碼公開、可裁剪的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。該內(nèi)核通過實現(xiàn)搶占式任務(wù)調(diào)度算法和多任務(wù)間通信等功能，使之具有執(zhí)行效率高、實時性能優(yōu)良等特點。另外，其占用空間非常小(最小可裁剪至2KB)并且具有高度可移植性，因此被廣泛的應(yīng)用于微處理器和微控制器上。

晶心科技 (Andes)作為亞洲首家原創(chuàng)性32位微處理器IP與系統(tǒng)芯片平臺設(shè)計公司，推出的AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S， 搭配應(yīng)用廣泛的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II以及相關(guān)的軟硬件開發(fā)資源，有效的幫助客戶降低現(xiàn)有成本、提升系統(tǒng)效能、減少系統(tǒng)功耗，并縮短產(chǎn)品開發(fā)上市時程。本文將介紹如何將μC/OS-II移植到AndesCore™ N1033A-S處理器上。

1. 開發(fā)環(huán)境及處理器介紹

1.1 軟/硬件開發(fā)環(huán)境

本移植過程使用的軟件環(huán)境是AndeSight? v1.4集成開發(fā)套件，它是晶心科技最新推出的針對各種AndesCore?的軟件集成開發(fā)環(huán)境，包括編譯器、調(diào)試器、分析器以及強(qiáng)大的ESL工具。硬件平臺采用晶心科技的FPGA評估板ADP-XC5，該評估板采用AndesCore? N1033A-S作為處理器內(nèi)核，并具有豐富的片上資源。

AndesCore™ N1033A-S介紹

AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S是一款哈弗結(jié)構(gòu)的32位RISC處理器內(nèi)核，具有5級流水線(pipeline)及動態(tài)分支預(yù)測(Dynamic branch prediction)架構(gòu)。N1033A-S新加入了最新AndeStar™ V2 指令集，把CPU效能推至1.66DMIPS/Mhz之上。同時還實現(xiàn)完整的Audio指令集，達(dá)到完全整合CPU與DSP功能的目標(biāo)。N1033A-S還支持向量中斷模式以及2D 直接內(nèi)存訪問(DMA)功能，更為實時信號處理添增效能。

2. μC/OS-II在N1033A-S上的可移植性分析

μC/OS-II具有高度可移植性，目前已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋從8位到64位的各種CPU(包括DSP)。

μC/OS-II的正常運行需要處理器平臺滿足以下要求： 1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;2)用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷;3)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷;4)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧;5)處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內(nèi)存中的指令。

AndesCore? N1033A-S內(nèi)部提供了32個通用寄存器，其中R31被用來做專門的堆棧指針。32根地址線最多可訪問4GB存儲單元，因此只要系統(tǒng)RAM空間允許，堆?？臻g理論不會產(chǎn)生限制。N1033A-S處理器提供的AndeStar? V2指令集包含了豐富且十分高效的對堆棧進(jìn)行操作的指令。例如指令SMW(store multiple word)可實現(xiàn)僅使用一條指令將多個寄存器的值存儲到堆棧中并同時更新堆棧指針位置，而且還能很好的處理地址非對齊字的存取。N1033A-S支持中斷并能產(chǎn)生定時器中斷，處理器中的PSW(Processor Status Word)寄存器中包含一個全局中斷禁止位GIE，控制它便可實現(xiàn)打開和關(guān)閉中斷。此外，AndeSight?集成開發(fā)環(huán)境中內(nèi)置的編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，并且支持內(nèi)聯(lián)匯編，C環(huán)境中可以任意進(jìn)行開關(guān)中斷的操作。綜上所述，μC/OS-II完全可以移植到N1033A-S上運行。

3. 移植步驟

為了方便移植，大部分的μC/OS-II代碼是用C語言寫的，用戶只需要用C語言和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼就可以實現(xiàn)移植。這部分工作的內(nèi)容包括：一個完成基本設(shè)置的頭文件os_cpu.h、一個與處理器相關(guān)的匯編文件os_cpu_a.S 和一個與操作系統(tǒng)相關(guān)的C代碼文件os_cpu_c.c.

3.1在os_cpu.h中完成基本的配置和定義

3.1.1. 定義與處理器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型

為保證可移植性，μC/OS-II沒有直接使用C語言中的short、int和long等數(shù)據(jù)類型的定義，因為不同的處理器有不同的字長。對于N1033A-S這樣的32位處理器，其數(shù)據(jù)類型定義實現(xiàn)如下：

3.1.2. 定義中斷禁止/允許宏

做為實時內(nèi)核，μC/OS-II需要先禁止中斷再訪問代碼臨界區(qū)，并且在訪問完畢后重新允許中斷。 μC/OS-II定義了兩個宏來禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。在N1033A-S處理器上的實現(xiàn)代碼如下

GIE_SAVE 和GIE_RESTORE的實現(xiàn)如下：

中斷禁止時間是判斷系統(tǒng)實時性的重要指標(biāo)之一。中斷禁止時間能否達(dá)到最短，不僅與操作系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，還依賴于處理器結(jié)構(gòu)和編譯器產(chǎn)生的代碼質(zhì)量。從上面的實現(xiàn)代碼看到，由于Andes處理器提供了setgie.d和setgie.e兩條直接控制中斷的開關(guān)的指令，整個禁止/允許中斷的過程經(jīng)過編譯器產(chǎn)生的機(jī)器碼只有3/2條，最大限度地減小了中斷禁止時間。

3.1.3. 定義棧增長方向

μC/OS-II使用結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH來指定堆棧的增長方式，設(shè)置為0表示堆棧從下往上增長，設(shè)置為1表示從上往下增長。這里我們定義成后者，即堆棧的增長方向是從內(nèi)存高地址向低地址方向遞減并且堆棧指針總是指向棧頂數(shù)據(jù)：

3.1.4.定義OS_TASK_SW()宏

OS_TASK_SW()是一個宏，它在μC/OS-Ⅱ從低優(yōu)先級任務(wù)切換到最高優(yōu)先級任務(wù)時被調(diào)用的。任務(wù)切換只是簡單的將處理器寄存器保存到將被掛起的任務(wù)的堆棧中，并且將更高優(yōu)先級的任務(wù)從堆棧中恢復(fù)出來。可采用兩種方式定義這個宏，使用軟中斷將中斷向量指向OSCtxSW()函數(shù);或者直接調(diào)用OSCtxSW()函數(shù)，這里我們采用后者(OSCtxSW()函數(shù)的實現(xiàn)將在后面介紹)：

3.2處理器相關(guān)部分匯編實現(xiàn)

μC/OS-Ⅱ的移植需要用戶編寫三個最基本的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()。它們會共用一些代碼，為了方便閱讀將它們寫在同一個匯編文件os_cpu_a.S中。

3.2.1 OSStartHighRdy()：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。

OSStartHighRdy()函數(shù)是在OSStart()多任務(wù)啟動之后，負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針SP，并通過SP恢復(fù)CPU現(xiàn)場以啟動最高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行。另外OSStartHighRdy()還必須在最高優(yōu)先級任務(wù)恢復(fù)之前和調(diào)用OSTaskSwHook()之后設(shè)置OSRunning為TRUE.其實現(xiàn)代碼如下：

3.2.2 OSCtxSw()和OSIntCtxSw()

OSCtxSw()是任務(wù)優(yōu)先級切換函數(shù)，它的作用是先將當(dāng)前任務(wù)的CPU現(xiàn)場保存到該任務(wù)的堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針，并從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)行，該函數(shù)就完成了一次任務(wù)切換。

OSIntCtxSw()是中斷級的任務(wù)切換函數(shù)。由于中斷可能會使更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，因此為了讓更高優(yōu)先級的任務(wù)能立即運行，在中斷服務(wù)子程序最后會調(diào)用OSIntCtxSw()做任務(wù)切換。這樣做能夠盡快的讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到相應(yīng)的處理，保證系統(tǒng)的實時性能。

OSCtxSw()和OSIntCtxSw()都是用于任務(wù)切換的函數(shù)，其區(qū)別在于，在 OSIntCtxSw()中無需再保存處理器寄存器，因為在OSIntCtxSw()之前已發(fā)生中斷，所以可以保證所有的處理器寄存器都被正確地保存到了被中斷的任務(wù)的堆棧之中。OSCtxSw()和OSIntCtxSw()實現(xiàn)代碼如下：

N1033A-S處理器定義了四級(0-3)中斷，在各級中斷的轉(zhuǎn)換時需要保存當(dāng)前中斷層級的寄存器。調(diào)用OSCtxSw()時，中斷將由0級(即沒有中斷)轉(zhuǎn)到1級，所以需要將第0級的寄存器PSW和PC保存到第1級的寄存器IPSW和IPC中。 CtxSave和CtxRestore兩個宏用來保存和恢復(fù)任務(wù)上下文。需要保存或恢復(fù)的寄存器包括32個通用寄存器(R0-R31)的值、程序計數(shù)器(PC)的值以及處理器狀態(tài)字寄存器(PSW)的值。宏IntlSwitch n通過修改PSW.INIT的值來切換中斷層級。CtxSave和IntlSwitch的匯編實現(xiàn)如下(由于CtxRestore與CtxSave過程類似，這里不做贅述)：

3.3 移植C語言編寫的幾個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)

μC/OS-Ⅱ有六個與CPU相關(guān)的函數(shù)：OSTaskStkInit()、 OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、 OSTimeTickHook()，它們被定義在ucos_ii.h中。其中唯一必須移植的函數(shù)是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()，其它五個函數(shù)必須得聲明但沒必要包含代碼。因此這里我們只介紹OSTaskStkInit()，其代碼的實現(xiàn)如下：

OSTaskStkInit()在任務(wù)創(chuàng)建時被調(diào)用，負(fù)責(zé)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)并返回新堆棧的指針，使得堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。除了要保存任務(wù)的地址、變量的指針以及處理器狀態(tài)字的值外，Andes N1033A-S處理器還要求用戶保存所有32個通用寄存器(R0-R31)、四個用戶寄存器(d0.hi， d0.lo， d1.hi， d1.lo)。還有一點需要注意，在N1033A-S處理器中，堆棧指針的地址必須滿足8Byte對齊，程序最后一段邏輯即將堆棧指針調(diào)整到正確的位置，這一點在編寫其他代碼例如在宏CtxSave中同樣需要注意。

4. 結(jié)語

基于AndesStar?架構(gòu)的優(yōu)勢，可以很容易的實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在N1033A-S處理器上的移植。不僅μC/OS-Ⅱ，其它嵌入式操作系統(tǒng)也可以很方便地移植到AndesCore?相應(yīng)的處理器上，例如Nuclues、FreeRTOS以及Contiki。

晶心科技利用 AndesCore? N1033A-S高效能的 Audio ISA 和 FPGA開發(fā)平臺彈性的設(shè)計架構(gòu)，基于各種RTOS，為客戶提供了的豐富的軟件資源(中間件、優(yōu)化的函數(shù)庫、應(yīng)用實例等)以及完整的多媒體語音解決方案，從而幫助客戶更快地在Andes平臺上進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。