uCOS II在SkyEye上的移植分析

SkyEye仿真調(diào)試器是基于ARM7TDMI 核的，因此移植 uC/OS-II 到 SkyEye 上可以借鑒網(wǎng)上已有的例如 Sansung S3C3410X的移植代碼，這在 uC/OS-II的主頁上很容易找到。 當(dāng)然自己動手做移植也是對 ARM 體系結(jié)構(gòu)和匯編語言的進(jìn)一步熟悉，同時對于 uC/OS-II 內(nèi)核的調(diào)度機(jī)制會有更深的認(rèn)識。
　整個移植工作可以分為兩個方面，一部分是和 ARM 相關(guān)，一部分是和移植原理相關(guān)。在開始實際的移植工作前，需要對這兩部分有一定的背景知識，尤其是和側(cè)重于和移植工作相關(guān)的概念和原理，下面分別做一些介紹。

ARM的體系結(jié)構(gòu)
　ARM（Advanced RISC Machines）是目前在嵌入式領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，以其低成本、低功耗、高性能的特點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM系列的處理器當(dāng)前有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等多個產(chǎn)品，此外ARM公司合作伙伴，例如Intel 也提供基于XScale微體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)處理器產(chǎn)品。所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，所以開發(fā)者在不同的ARM處理器上做操作系統(tǒng)移植時，可以將節(jié)省相當(dāng)多的工作量，這無疑將大大降低軟件開發(fā)成本。
　要詳細(xì)完整的了解ARM的體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)然是去讀 ARM Architectur Reference Manual ，這是一個13M 的pdf 文檔，有800多頁，可以從ARM的網(wǎng)站下載，也可以到北京亞嵌教育研究中心的FTP服務(wù)器( http://www.akae.cn/ftp/ )上找到。北航出的一本《ARM 嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)》基本上翻譯了這個pdf中大部分重要的內(nèi)容，可以作為入門的中文教材。這里我們僅僅對其中和移植工作密切相關(guān)的概念做簡要介紹。

1.處理器模式： ( cpu mode )
　　ARM 的處理器可以工作在 7 種模式，如圖1所示。

圖1
　這里除 usr 模式以外的其他模式都叫做特權(quán)模式，除 usr 和 sys 外的其他5種模式叫做異常模式。在 usr 模式下對系統(tǒng)資源的訪問是受限制的，也無法主動地改變處理器模式。異常模式通常都是和硬件相關(guān)的，例如中斷或者是試圖執(zhí)行未定義指令等。這里需要強(qiáng)調(diào)的是和移植相關(guān)的兩種處理器模式：svc態(tài)和 irq 態(tài)，分別指操作系統(tǒng)的保護(hù)模式和通用中斷處理模式。這兩種模式之間的轉(zhuǎn)換可以通過硬件的方式，也可以通過軟件的方式。uC/OS-II內(nèi)核在執(zhí)行過程中，大部分時間都是工作在 svc 態(tài)，當(dāng)有硬件中斷，例如時鐘中斷到來時，cpu 硬件上會自動完成從svc態(tài)進(jìn)入 irq態(tài)，在中斷處理程序的結(jié)束處，則需要通過編程的方法使得 cpu 從irq 態(tài)恢復(fù)到 svc 態(tài)，這個在移植代碼中可以找到。

2.程序狀態(tài)寄存器： ( PSR：Program status register )
　在任何一種處理器模式中，都使用同一個寄存器來標(biāo)識當(dāng)前處理器的工作模式：這個寄存器叫做CPSR ( Current Program Status Register )，它的 [0--4] 位用來表示cpu mode，如圖2、圖3所示。

圖2

圖3
3.ARM寄存器：( register )
　ARM處理器一共有37個寄存器，其中31個是通用寄存器，包括一個程序計數(shù)器 PC。另外6個就是上面提到的程序狀態(tài)寄存器。
a）通用寄存器：
　i.R0－R7：與所有處理器模式無關(guān)的寄存器，可以用作任何用途。
　ii.R8－R14：與處理器模式有關(guān)的寄存器，在不同的模式下，對應(yīng)到不同的物理寄存器。其中 R13又叫做 sp，一般用于堆棧指針。R14又叫做lr，一般用于保存返回地址。這兩個寄存器在每種異常模式下都對應(yīng)到不同的物理寄存器上，例如lr_irq、lr_svc、lr_fiq 等。
    iii.R15：又叫做程序計數(shù)器，即pc，所有的模式下都使用同一個 pc。
b）狀態(tài)寄存器：
　i.CPSR：當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，所有的模式下都使用同一個 CPSR。
　ii.SPSR：保存的程序狀態(tài)寄存器，每種異常模式下都有自己的SPSR，一共有5種SPSR，即SPSR_irq、SPSR_fiq、SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und。usr和sys 態(tài)下沒有 SPSR 。
　所有的ARM寄存器的命名和含義，可以用下面的這張表來說明，其中相同命名的都是同一個物理寄存器，不同命名的寄存器都對應(yīng)不同的物理寄存器，如圖4所示。

圖4

uCOS-II 移植工作介紹
　uCOS-II 實際上可以簡單地看作是一個多任務(wù)的調(diào)度器，在這個任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語言寫的，因此只要有相應(yīng)的C語言編譯器，基本上就可以直接移植到特定處理器上，這也是uC/OS-II具有良好的可移植性的原因。移植工作的絕大部分都集中在多任務(wù)切換的實現(xiàn)上，因為這部分代碼主要是用來保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場（即相關(guān)寄存器），因此不能用C語言，只能使用特定的處理器匯編語言完成。
　uCOS-II的全部源代碼量大約是6000－7000行，一共有15個文件。將 uC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要完成的工作也非常簡單，只需要修改三個和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個文件的移植工作：

1.OS_CPU.H 文件

數(shù)據(jù)類型定義
　這部分的修改是和所用的編譯器相關(guān)的，不同的編譯器會使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型，比如int，同樣在x86平臺上，如果用GNU的gcc 編譯器，則編譯為4 bytes，而使用MS VC＋＋則編譯為2 bytes。我們這里使用的是 GNU 的 arm-elf-gcc，這是一個免費并且開放源碼的編譯器。相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義如下，如圖5所示。[!--empirenews.page--]

圖5
堆棧單位
　因為處理器現(xiàn)場的寄存器在任務(wù)切換時都將會保存在當(dāng)前運行任務(wù)的堆棧中，所以O(shè)S_STK 數(shù)據(jù)類型應(yīng)該是和處理器的寄存器長度一致的。

圖6

堆棧增長方向
　堆棧由高地址向低地址增長，這個也是和編譯器有關(guān)的，當(dāng)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時，入口參數(shù)和返回地址一般都會保存在當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，編譯器的編譯選項和由此生成的堆棧指令就會決定堆棧的增長方向。

圖7

宏定義
　包括開關(guān)中斷的宏定義，以及進(jìn)行任務(wù)切換的宏定義。

圖8

2.OS_CPU_C.C 文件
任務(wù)堆棧初始化
　這里涉及到任務(wù)初始化時的一個堆棧設(shè)計，也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器位置，在ARM 體系結(jié)構(gòu)下，任務(wù)堆?？臻g由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、…r1、r0、CPSR、SPSR。

圖9
　這里需要說明兩點，一是當(dāng)前任務(wù)堆棧初始化完成后，OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針stk，在OSTaskCreate（）執(zhí)行時將會調(diào)用 OSTaskStkInit 的初始化過程，然后通過OSTCBInit（）函數(shù)調(diào)用將返回的sp指針保存到該任務(wù)的TCB塊中。二是初始狀態(tài)的堆棧其實是模擬了一次中斷發(fā)生后的堆棧結(jié)構(gòu)，因為任務(wù)被創(chuàng)建后并不是直接就獲得執(zhí)行的，而是通過OSSched（）函數(shù)進(jìn)行調(diào)度分配，滿足執(zhí)行條件后才能獲得執(zhí)行的。為了使這個調(diào)度簡單一致，就預(yù)先將該任務(wù)的pc指針和返回地址lr都指向函數(shù)入口，以便被調(diào)度時從堆棧中恢復(fù)剛開始運行時的處理器現(xiàn)場。

圖10

系統(tǒng)hook函數(shù)
　此外，在這個文件里面還需要實現(xiàn)幾個操作系統(tǒng)規(guī)定的hook函數(shù)，如下：
    　OSSTaskCreateHook( )
　    OSTaskDelHook( )
　　OSTaskSwHook( )
　　OSTaskStatHook( )
　　OSTimeTickHook( )
　如果沒有特殊需求，則只需要簡單地將它們都實現(xiàn)為空函數(shù)就可以了。

3.OS_CPU_A.S 文件
　OSStartHighRdy（）
　此函數(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，通過sp依次將cpu現(xiàn)場恢復(fù)，這時系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進(jìn)程，直到該任務(wù)被阻塞或者被其他更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占cpu。該函數(shù)僅僅在多任務(wù)啟動時被執(zhí)行一次，用來啟動第一個，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行，之后多任務(wù)的調(diào)度和切換就是由下面的函數(shù)來實現(xiàn)。
　OSCtxSw（）
　任務(wù)級的上下文切換，它是當(dāng)任務(wù)因為被阻塞而主動請求cpu調(diào)度時被執(zhí)行，由于此時的任務(wù)切換都是在非異常模式下進(jìn)行的，因此區(qū)別于中斷級別的任務(wù)切換。它的工作是先將當(dāng)前任務(wù)的cpu現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針，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。這樣就完成了一次任務(wù)切換。
　OSIntCtxSw（）
　中斷級的任務(wù)切換，它是在時鐘中斷ISR（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，則需要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。這樣做的目的主要是能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實時性能。它的原理基本上與任務(wù)級的切換相同，但是由于進(jìn)入中斷時已經(jīng)保存過了被中斷任務(wù)的cpu現(xiàn)場，因此這里就不用再進(jìn)行類似的操作，只需要對堆棧指針做相應(yīng)的調(diào)整，原因是函數(shù)的嵌套。
　OSTickISR（）
　時鐘中斷處理函數(shù)，它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時鐘中斷，調(diào)用系統(tǒng)實現(xiàn)的OSTimeTick函數(shù)，如果有等待時鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù)，則需要在中斷級別上調(diào)度其執(zhí)行。其他相關(guān)的兩個函數(shù)是OSIntEnter（）和OSIntExit（），都需要在ISR中執(zhí)行。
　ARMEnableInt（）& ARMDisableInt（）
　分別是退出臨界區(qū)和進(jìn)入臨界區(qū)的宏指令實現(xiàn)。主要用于在進(jìn)入臨界區(qū)之前關(guān)閉中斷，在退出臨界區(qū)的時候恢復(fù)原來的中斷狀態(tài)。它的實現(xiàn)比較簡單，可以采用方法1直接開關(guān)中斷來實現(xiàn)，也可以采用方法2通過保存關(guān)閉/恢復(fù)中斷屏蔽位來實現(xiàn)。

我的移植體會
　移植 uC/OS-II 的絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.S 文件的移植，這個文件的實現(xiàn)集中體現(xiàn)了所要移植到處理器的體系結(jié)構(gòu)和uC/OS-II 的移植原理；在這個文件里，最困難的工作又集中體現(xiàn)在OSIntCtxSw 和 OSTickISR 這兩個函數(shù)的實現(xiàn)上。這是因為這兩個函數(shù)的實現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關(guān)硬件定時器、中斷寄存器的設(shè)置有關(guān)。在實際的移植工作中，這兩個地方也是比較容易出錯的地方。
　OSIntCtxSw 最重要的作用就是它完成了在中斷ISR中直接進(jìn)行任務(wù)切換，從而提高了實時響應(yīng)的速度。它發(fā)生的時機(jī)是在 ISR 執(zhí)行到 OSIntExit 時，如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級的任務(wù)因為等待的 time tick 到來獲得了執(zhí)行的條件，這樣就可以馬上被調(diào)度執(zhí)行，而不用返回被中斷的那個任務(wù)之后再進(jìn)行任務(wù)切換，因為那樣的話就不夠?qū)崟r了。
　實現(xiàn) OSIntCtxSw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過調(diào)整 sp 堆棧指針的方法，根據(jù)所用的編譯器對于函數(shù)嵌套的處理，通過精確計算出所需要調(diào)整的 sp 位置來使得進(jìn)入中斷時所作的保存現(xiàn)場的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數(shù)嵌套內(nèi)部發(fā)生任務(wù)切換，使得高優(yōu)先級的任務(wù)能夠最快的被調(diào)度執(zhí)行。但是這個辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數(shù)的設(shè)置相關(guān)，需要較多技巧。
　另一種是設(shè)置需要切換標(biāo)志位的方法，在 OSIntCtxSw 里面不發(fā)生切換，而是設(shè)置一個需要切換的標(biāo)志， 等函數(shù)嵌套從進(jìn)入 OSIntExit => OS_ENTER_CRITICAL() => OSIntCtxSw() =>OS_EXIT_CRITICAL() => OSIntExit退出后，再根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否需要進(jìn)行中斷級的任務(wù)切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計算，但是從實時響應(yīng)上不是最快，不過剛開始學(xué)習(xí)這種方法比較容易理解，實現(xiàn)起來也簡單。SkyEye 目前的移植就是基于第二種方法的。
　在中斷態(tài)下進(jìn)行任務(wù)切換，需要特別說明的一個問題是如何獲得被中斷任務(wù)的 lr_svc 。因為進(jìn)入中斷態(tài)后，lr 變成了lr_irq ，原來任務(wù)的 lr_svc 無法在中斷態(tài)下獲得，這樣要得到 lr_svc ，就必須在中斷ISR 里面進(jìn)行一次 cpu mode 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，即對 CPSR 賦值為0x000000d3 ，只有返回到 svc 態(tài)之后才能得到 原來任務(wù)的 lr ，這個對于任務(wù)切換很重要。還有一個需要留意的問題是在強(qiáng)制 CPSR 變成 svc 態(tài)之后，SPSR 也會相應(yīng)地變成 SPSR_irq ，這樣就需要在強(qiáng)制轉(zhuǎn)變之前保存 SPSR ，也就是被中斷任務(wù)中斷前的 CPSR 。
　全部移植代碼在SkyEye仿真器上調(diào)試通過，在SkyEye的主頁上可以下載獲得。歡迎大家訪問我們的主頁 【 http://www.skyeye.org 】。 另外在 Linuxfans.org的論壇上 【http://www.linuxfans.org/bbs/forum-58-1.html 】， 有關(guān)于 SkyEye 進(jìn)展的最新討論， 和另一個嵌入式開源項目【www.lumit.org 】的大量資料下載， 【 http://www.linuxfans.org/bbs/forum-66-1.html 】。希望大家對我們的工作提出建議和批評，更希望有越來越多的人關(guān)注和參與進(jìn)來。

總結(jié)
　移植 uC/OS-II到 SkyEye 上，既是對 uC/OS-II 的學(xué)習(xí)和實驗，同時也是對 SkyEye仿真器的驗證和實踐。uC/OS-II 作為一個優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)已經(jīng)被移植到各種體系結(jié)構(gòu)的微處理器上，也是目前較為常用的公開源碼的實時內(nèi)核。從這里入手學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本概念，以及在 SkyEye 里構(gòu)造一個可以運行的RTOS，能夠使我們更深入地了解嵌入式開發(fā)的流程，在沒有硬件的條件下也能對ARM的體系結(jié)構(gòu)有個初步的認(rèn)識。
　在移植 uC/OS-II 到 SkyEye 之后，我得到了一塊 Samsung 的ARM 評估板，在調(diào)通了板子上一些相關(guān)硬件（例如串口輸出和定時器）的驅(qū)動后，僅僅花了不到一天時間就將SkyEye 下的 uC/OS-II 移植到了真實的開發(fā)板上，這也說明在 SkyEye 上所做的移植工作是非常有意義和幫助的，完全可以作為嵌入式開發(fā)的入門捷徑。
　如果大家移植過程中遇到什么問題，歡迎發(fā)email和我討論。