μC/OS-II在ARM平臺(tái)上移植的深入探討
隨著科技的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜性越來(lái)越高，同時(shí)ARM體系處理器的價(jià)格越來(lái)越低，ARM平臺(tái) + 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會(huì)越來(lái)越廣泛。有鑒于此，本文對(duì)μC/OS-II在ARM平臺(tái)下的移植進(jìn)行了深入探討。
1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介
1.1 μC/OS-II簡(jiǎn)介
μC/OS最早出自于1992年美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載，并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。
μC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，絕大部分代碼用C語(yǔ)言編寫。CPU的相關(guān)部分采用匯編語(yǔ)言編寫，總量在200行左右的匯編語(yǔ)言被壓縮到最低限度，目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性優(yōu)良、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。
1.2 μC/OS-II的組成
嚴(yán)格地說(shuō)μC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒(méi)有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等額外的服務(wù)。但由于μC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源代碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實(shí)現(xiàn)。
μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信、CPU的移植等5個(gè)部分[1]。
(1)核心部分（OSCore.c）:操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)的初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。
(2)任務(wù)處理部分(OSTask.c):與任務(wù)操作密切相關(guān)的部分。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。
(3)時(shí)鐘部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作在此完成。
(4)任務(wù)同步和通信部分：為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問(wèn)。
(5)與CPU的接口部分：這里是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU需要改寫的部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的，在應(yīng)用到其他處理器平臺(tái)上時(shí)，這部分代碼必須做相應(yīng)的改變。
1.3 ARM硬件開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介
調(diào)試時(shí)所用的硬件開發(fā)平臺(tái)是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺(tái)。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片，主頻203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD讀卡器、USB Host和USB Device控制器、LCD控制器、I2C總線控制器、SPI總線接口等。開發(fā)板上Flash空間為32 MB，SDRAM容量為128 MB。
2 S3C2410引導(dǎo)程序
開發(fā)板原有引導(dǎo)程序由VIVI公司提供，其運(yùn)行過(guò)程分成兩個(gè)階段。第一階段的代碼用匯編語(yǔ)言編程，主要完成以下任務(wù)： (1)初始化CPU速度、存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器配置寄存器，以及串口等硬件資源的配置；(2)建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備； (3)裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中；(4)設(shè)置相關(guān)寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)，進(jìn)入第二階段。
第二階段的代碼用C語(yǔ)言編寫，從main（）函數(shù)開始,主要工作有:開發(fā)板外部接口初始化(I/O接口、UART接口、LCD接口等)、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等，最后啟動(dòng)linux內(nèi)核。有大量文章對(duì)此開發(fā)板引導(dǎo)程序作了詳細(xì)的分析[3]，本文在這里不做重復(fù)，本文的重點(diǎn)是將引導(dǎo)程序與μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合，既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口、LCD和觸摸屏接口程序；時(shí)鐘、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動(dòng)程序和接口程序，又成功地完成了對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植和整合。
3 移植要點(diǎn)
μC/OS-II的內(nèi)核分成2個(gè)部分，與處理器無(wú)關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過(guò)程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺(tái)（這里特地強(qiáng)調(diào)編譯平臺(tái)的因素，主要考慮到各個(gè)編譯平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)格式的理解略有差別）的特點(diǎn)來(lái)重新編寫3個(gè)文件，用C語(yǔ)言編寫的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用匯編語(yǔ)言編寫的OS_CPU_A.ASM，此外，要將S3C2410開發(fā)板引導(dǎo)程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起，還必須將各自main（）函數(shù)融為一體。
3.1 OS_CPU.H的移植
μC/OS-II內(nèi)核中OS_CPU.H代碼是根據(jù)X86內(nèi)核而寫的，其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺(tái)不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個(gè)部分：[!--empirenews.page--]
(1)數(shù)據(jù)類型定義:在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然定義8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時(shí),在編譯過(guò)程中不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但這些變量并不會(huì)按要求被正確初始化或賦值，運(yùn)行過(guò)程常常出錯(cuò)。所以，在改寫OS_CPU.H代碼時(shí)，將所有變量都定義成32 bit或64 bit；
(2)堆棧生長(zhǎng)方向定義:ARM的堆棧是從上往下生長(zhǎng)的，OS_STK_GROWTH定義為1；
(3)開關(guān)中斷的宏定義:用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實(shí)現(xiàn)，放在OS_CPU_A.ASM文件中。
(4)宏定義OS_TASK_SW（）:這個(gè)宏定義是在ARM中斷處理之外時(shí)，μC/OS-II從低優(yōu)先級(jí)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)所調(diào)用的代碼，它總是在任務(wù)級(jí)代碼中被調(diào)用。在有些資料中[1]，將OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw（）等同起來(lái)，這在ARM內(nèi)核中是不行的，因?yàn)楹笳呤茿RM內(nèi)核在中斷模式下的任務(wù)切換函數(shù)，而不同模式下處理器的寄存器組是不同的，所要保護(hù)的寄存器內(nèi)容也不相同，經(jīng)過(guò)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)以下代碼可達(dá)到目的。
OS_TASK_SW
stmfd sp!, {lr} ; PC入棧，lr其實(shí)是任務(wù)的返回地址，
stmfd sp!, {r0-r12, lr}
mrs r4, cpsr
stmfd sp!, {r4} ;最后保存CPSR ldr r4, =OSTCBCur
ldr r5, [r4]
str sp, [r5] ;將SP保存在當(dāng)前任務(wù)的控制塊中 ldr r5, =OSTCBHighRdy
ldr r5, [r5]
str r5, [r4] ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy ldr r6, =OSPrioHighRdy
ldr r6, [r6]
ldr r4, =OSPrioCur
str r6, [r4] ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy
ldr sp, [r5] ;得到新任務(wù)的堆棧指針
ldr r4, [sp], #4
msr cpsr_cxsf, r4 ;先恢復(fù)CPSR
ldmfd sp!, {r0-r12, lr, pc}
3.2 OS_CPU_C.C.H的移植
在OS_CPU_C.C中,最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），它在任務(wù)建立時(shí),用來(lái)初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，其余鉤子函數(shù)可以不用動(dòng),這個(gè)函數(shù)的代碼比較簡(jiǎn)單[2]。需要說(shuō)明的是，由于本文所述系統(tǒng)，用戶任務(wù)運(yùn)行在SVC模式下，沒(méi)有保存SPSR寄存器。
3.3 OS_CPU_A.ASM的移植
OS_CPU_A.ASM文件的匯編程序是μC/OS-II移植工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它通常包括OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTickISR（）和開關(guān)中斷代碼等。其中，OSStartHighRdy()的主要工作是將優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)對(duì)應(yīng)的所有寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來(lái),其代碼簡(jiǎn)單[2]。對(duì)于開關(guān)中斷函數(shù)，在調(diào)試時(shí)所用代碼如下：
EnterCritical
mrs r1, cpsr
str r1, [r0]
orr r1, r1, #NOINT
msr cpsr_cxsf, r1
mov pc, lr
ExitCritical
ldr r1, [r0]
msr cpsr_cxsf, r1
mov pc, lr
需要指出的是，在每次成對(duì)調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)時(shí)，需要提前聲明變量r，代碼如下所示:
INT32U r;
EnterCritical(&r);
ExitCritical(&r);
需要慎重對(duì)待的是OSIntCtxSw()、OSTickISR（）函數(shù)。在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，用一般參考資料所介紹的代碼都無(wú)法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的正常運(yùn)行，其主要原因是，對(duì)ARM9內(nèi)核而言，其每種特定的中斷返回，都有特定的返回指令，在中斷處理過(guò)程中，強(qiáng)制使用模式切換指令，使處理器的中斷處理機(jī)制發(fā)生混亂，程序無(wú)法正常執(zhí)行。例如在ISR模式中使用指令：
MSR CPSR_c, #(NO_INT | SVC32_MODE)
其目的是返回ISR發(fā)生之前的模式，然后保存一些寄存器。但調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在上述指令執(zhí)行之后，處理器重新響應(yīng)ISR中斷，并沒(méi)有順序執(zhí)行，而是立即回到ISR模式下。
還有，對(duì)于S3C2410的ARM920T內(nèi)核而言，其ISR模式的返回指令是：
ldmfd sp!, {r0-r12, lr}
subs pc, lr, #04
其他任何形式的指令都無(wú)法使處理器正確返回。有些資料用下述指令：
Ldmfd sp!, {r0-r12, lr，pc}; 執(zhí)行之前堆棧中相應(yīng)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容為（lr-4）。
看起來(lái)與前面的兩行代碼意義相同，但后面的代碼僅僅讓處理器實(shí)現(xiàn)PC指針的跳轉(zhuǎn)，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)處理器的模式轉(zhuǎn)換，即從ISR模式回到中斷發(fā)生之前的模式。
但在中斷發(fā)生時(shí)，無(wú)法在中斷處理過(guò)程中保存所有的處理器寄存器。例如，在ISR模式下，無(wú)法保存SVC模式的LR寄存器等。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文采取了如圖1所示的框圖結(jié)構(gòu)來(lái)編寫中斷處理代碼和OSIntCtxSw()函數(shù)。
[!--empirenews.page--]因?yàn)镾3C2410在進(jìn)入ISR模式后,自動(dòng)屏蔽ISR中斷，所以粗存在中斷嵌套,可以表明2個(gè)全部變量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中斷發(fā)生之時(shí)處理器的lr和spsr寄存器。其代碼的特別之處在于，在ISR中斷處理過(guò)程中通過(guò)修改lr寄存器，而使處理器在退出ISR模式時(shí)能根據(jù)任務(wù)的需要返回至ISR中斷發(fā)生之處或者代碼指定地點(diǎn)。在代碼指定地點(diǎn)，可以保存上次中斷發(fā)生時(shí)被中斷任務(wù)的處理器的所有寄存器數(shù)據(jù)。這里需要注意一點(diǎn)，當(dāng)處理器退出ISR模式時(shí)跳轉(zhuǎn)到Saveregister處開始執(zhí)行命令，需要提前將Saveregister處的地址加上4，然后賦值給lr寄存器。因?yàn)樵贗SR退出時(shí)，需要將lr減去4再賦值給程序計(jì)數(shù)器pc。
4 S3C2410啟動(dòng)代碼和μC/OS-II的融合
本文1.1節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，S3C2410的啟動(dòng)代碼開始部分是匯編語(yǔ)言的初始化過(guò)程，然后跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)。融合的工作就從改造S3C2410的main（）函數(shù)和μC/OS-II的main（）函數(shù)（在test.c中）開始。在S3C2410的main（）函數(shù)中，保留原啟動(dòng)代碼中關(guān)于端口、內(nèi)存、外部設(shè)備初始化代碼，刪去跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)的代碼；在μC/OS-II的test.c文件的main（）函數(shù)中，刪去一切與X86內(nèi)核有關(guān)的初始化代碼和輸入輸出函數(shù)代碼（因?yàn)檫@部分代碼在S3C2410的啟動(dòng)代碼中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)），并將與 μC/OS-II內(nèi)核有關(guān)的3個(gè)函數(shù)OSInit()、OSTaskCreate(…)、OSStart()復(fù)制到S3C2410的main（）函數(shù)中，同時(shí)刪去μC/OS-II的test.c文件。融合后的main（）函數(shù)主要代碼如下：
ChangeClockDivider(1, 1); //1:2:4
ChangeMPllValue(161,3,1); //FCLK=203.0 MHz
SetClockDivider(1, 1);
SetSysFclk(FCLK_203M);
Port_Init();
Isr_Init();
Uart_Init(0, 115200);
Uart_Select(0);
MMU_Init(); //MMU 初始化
EnableModuleClock(CLOCK_ALL);
rMISCCR &= ~(0x3007);
OSInit();
OSTaskCreate(TaskStart,……, 0);
OSStart();
至此，處理器已執(zhí)行完S3C2410的啟動(dòng)代碼,并開始執(zhí)行μC/OS-II內(nèi)核代碼。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，處理器的中斷必須是打開的。這個(gè)工作在OSStart ()函數(shù)中完成，在執(zhí)行OSStartHighRdy之前，要按照系統(tǒng)的需求完成處理器的中斷初始化工作，同時(shí)打開中斷。至此，融合工作基本完成，剩下的工作就是按照系統(tǒng)的需求在μC/OS-II的TaskStart（…）函數(shù)中自由添加實(shí)際工作所需的任務(wù)了。
在本文所述系統(tǒng)中，在μC/OS-II所帶3個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的基礎(chǔ)上添加了3個(gè)任務(wù)Task1、Task2和Task3，方法是在OSStatInit( )之前添加OSTaskCreate(Task1,…)等代碼，然后按下述格式和自己的需求編寫Task1、Task2和Task3函數(shù)。代碼為：
void Task1(void *data)
{
while(1) { ;任務(wù)代碼 }
}
因篇幅所限，無(wú)法詳述在融合過(guò)程中遇到的所有問(wèn)題，尤其是在ADSv1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)的語(yǔ)法問(wèn)題和各種細(xì)節(jié)問(wèn)題。
隨著科技的發(fā)展和實(shí)際任務(wù)復(fù)雜性的逐步增加，傳統(tǒng)的單片機(jī)前后臺(tái)編程模式漸漸不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中使用嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，本文在S3C2410開發(fā)板上將原有的引導(dǎo)程序和μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，開發(fā)出能自引導(dǎo)的μC/OS-II操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了3個(gè)系統(tǒng)任務(wù)外，還自帶3個(gè)實(shí)際任務(wù)，在ADSV1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試，并在板卡上成功運(yùn)行，對(duì)μC/OS-II在ARM平臺(tái)上的移植有一定借鑒意義。
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