在CodeWarrior編譯環(huán)境下運(yùn)行μC／OS—III

摘要：μC／OS—II是面向8／16位及低端32位單片機(jī)應(yīng)用的RTOS，而新近推出的μC／OS—Ⅲ則面向高性能32位單片機(jī)，如ARM Cortex等。以Cortex—M4為內(nèi)核的Kinetis系列單片機(jī)，不僅用于全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競賽，也用于諸多大學(xué)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，官方提供的開發(fā)環(huán)境是CodeWarrior。本文介紹如何利用CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，將μC／OS—III在Kinetis單片機(jī)上運(yùn)行起來，以便將μC／OS—III引入教學(xué)、科研與應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：μC／OS—III；Kinetis CodeWarrior

引言
    Kinetis系列是飛思卡爾公司基于ARM Cortex—M4和Cortex—M0+內(nèi)核的單片機(jī)，和Cortex—M3相比，M4內(nèi)核主要增加了DSP運(yùn)算指令和可選的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，同時(shí)保持了與Cortex—M3的兼容性，因此被寄予希望能逐步替代Cortex—M3。Kinetis也成為飛恿卡爾杯全國大學(xué)生智能車競賽新的硬件平臺之一。
    μC／OS—Ⅲ是Micrium公司推出的全新RTOS，特別適用于那些有計(jì)算前導(dǎo)零(CLZ)硬件指令的高端32位CPU，可大大加速就緒表查找速度μC／OS—II的主要精華在于其巧妙的優(yōu)先級軟件查表算法，而對于有CLZ硬件算法指令的CPU，如MIPS、PowerPC、ARM11及以上系列，仍使用μC／OS一Ⅱ就不那么合理了。μC／OS—III源代碼公開，官方已提供對目前主流單片機(jī)的移植支持，并且針對幾大主流單片機(jī)都提供相應(yīng)的教材，Kinetis就是其中之一。Micrium官方提供的基于Kinetis平臺的范例都是使用IAR作為集成開發(fā)環(huán)境的，考慮到飛思卡爾官方的Code Warrior開發(fā)環(huán)境有著廣泛的用戶群，尤其是使用過S08／S12等單片機(jī)的用戶，大多熟悉CodeWarrior。因此，本文將以Kinetis平臺為例，講述如何使用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境將μOS—III運(yùn)行起來，作為應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，也便于那些教學(xué)中使用CodeWarrior編譯器的師生，將μC／OS—Ⅲ引入嵌入式系統(tǒng)教學(xué)。

1 CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境
    Kinetis包括K，X、L三大系列，K和X系列是基于Cortex—M4內(nèi)核，而L系列是基于Cortex—M0+內(nèi)核。K系列又包括K10～K70多個(gè)子系列，不同系列側(cè)重點(diǎn)不同，如K10是基準(zhǔn)系列，K20帶USB，K60帶以太網(wǎng)。因?yàn)閮?nèi)核一樣，只是外設(shè)不同，因此μC／OS—III的移植都是通用的。本文以清華大學(xué)飛恩卡爾培訓(xùn)中心為全國大學(xué)生智能車競賽提供的K10開發(fā)套件為例進(jìn)行說明。
    針對Kinetis的CodeWarrior軟件版本為V10．x，可從官方網(wǎng)站下載免費(fèi)教學(xué)版本。新版的CodeWarrior基予Eclipse開發(fā)環(huán)境，支持S08／S12／ColdFire／Kinetis等系列單片機(jī)。本文使用的CodeWarrior版本為V10．2Special Edition。
    最新版本的μC／OS—III源代碼可從Micrium公司官方網(wǎng)站下載，網(wǎng)站上的“Source code”欄目提供的只是內(nèi)核的源代碼，不包括移植部分，也沒有相關(guān)的范例，而“μC／OS—III Books”欄目里可下載針對不同單片機(jī)的電子版教材及配套的范例工程。本文使用官方為Kinetis提供的IAR環(huán)境下的工程范例為參考。

2 μC／OS-Ⅲ的目錄結(jié)構(gòu)
    μC／OS—III的代碼組織中，除了內(nèi)核相關(guān)的代碼文件外，還有兩個(gè)獨(dú)立的組件——μC／CPU和μC／LIB。μC／CPU用來封裝一個(gè)CPU的屬性，定義了與編譯器和CPU相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、寄存器的位寬、大小端格式、堆棧的增長方式、開關(guān)中斷的函數(shù)等等。換句話說，也就是把原來
μC／OS里的一些CPU硬件相關(guān)的定義和函數(shù)獨(dú)立成為一個(gè)組件，這樣，代碼的結(jié)構(gòu)就更加清晰。而μC／LIB是一個(gè)基礎(chǔ)的函數(shù)庫，不依賴于任何的處理器和編譯器，主要包括一些字符串處理函數(shù)、數(shù)學(xué)相關(guān)函數(shù)，以及內(nèi)存管理相關(guān)的函數(shù)。μC／OS—III依賴于μC／CPU和μC／LIB，
因此工程中必須包括μC／CPU和μC／LIB的相關(guān)文件才能完成編譯。
    圖1展示了一個(gè)典型工程的文件結(jié)構(gòu)。其中，μC／OS—III、μC／CPU、μC／LIB和配置文件部分都是必須的，加粗斜體的文件表示是需要移植的。lib_mem_a．a(chǎn)sm文件是用匯編語言編寫的優(yōu)化的內(nèi)存分配函數(shù)，可以不要(lib_cfg．h里的宏LIB_MEM_CFG_OPTIMIZE_ASM_EN要設(shè)置為0)。配置相關(guān)的頭文件必需的有4個(gè)，其中，μC／OS—III、μC／CPU和μC／LIB三個(gè)組件各有一個(gè)對應(yīng)的配置文件，還有一個(gè)是os_cfg_ app．h。os_cfg．h和os_cfg_app．h都是μC／OS—Ⅲ相關(guān)的配置文件，前者主要是功能的配置，如是否使用信號量、是否使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、是否進(jìn)行參數(shù)檢查等等；后者主要是內(nèi)核資源的配置，如空閑任務(wù)、時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)的堆棧大小、信號量、消息隊(duì)列等內(nèi)核資源的數(shù)量等。“板級支持包”和“用戶程序”里列出的文件并不是必需的，只是一個(gè)范例。板級支持包用來定義與開發(fā)板硬件相關(guān)的功能函數(shù)，如硬件韌始化函數(shù)、I／O操作函數(shù)、串口服務(wù)函數(shù)等等。使用板級支持包可以使代碼結(jié)構(gòu)更清晰，方便代碼共享。

    從Micrium網(wǎng)站下載針對Kinetis的教材配套的范例工程壓縮包，解壓后目錄結(jié)構(gòu)如圖2所示。Micrium公司的代碼組織結(jié)構(gòu)非常清晰，對于程序開發(fā)人員來說是一個(gè)很好的參考。其中，uCOS-III、uC—CPU、uC—LIB三個(gè)文件夾下分別包含了該模塊對應(yīng)的代碼，底下各有一個(gè)Cfg文件夾，里面包括了該模塊配置頭文件的模板。而移植相關(guān)的部分代碼文件都是按“CPU＼編譯器”的目錄結(jié)構(gòu)來組織，如uC—CPU下的ARM—Cortex—M4＼IAR。EvalBoards文件夾是范例工程所在，按照“開發(fā)板＼編譯器”的結(jié)構(gòu)組織。
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3 Codewarrior環(huán)境下運(yùn)行μC／OS-Ⅲ步驟
3．1 建立新工程
    把圖2中所述的解壓后的Micrium文件夾放到不含中文的路徑下(如E：＼)，在EvalBoards文件夾下新建K10DEVKIT文件夾，表示我們的K10核心開發(fā)板。在K10DEVKIT下再新建CodeWarrior文件夾，表示使用CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，該文件夾將作為工程項(xiàng)目的工作空間(works pace)。在CodeWarrior下再建立BSP文件夾，作為K10DEVKIT的板級支持包。

    啟動(dòng)CodeWarrior V10．2，將workspace切換到剛才建立的K10DEVKIT＼CodeWarrior文件夾，軟件會重啟并彈出向?qū)ы撁?，選擇新建工程，然后按照提示一步步直到完成，中途需要選擇單片機(jī)的型號和調(diào)試工具。開發(fā)板使用的單片機(jī)是主頻100 MHz的PK10N512，調(diào)試器使用USBDM。新建立的工程中，軟件會自動(dòng)生成所需的初始化文件和調(diào)試配置文件，用戶可能用到的幾個(gè)文件說明如下：
   
3．2 添加文件
    如圖2所示，μC／OS—III和μC／CPU中需要移植的代碼文件都是放在“CPU＼編譯器”的目錄結(jié)構(gòu)下，從官網(wǎng)下載的只有針對IAR編譯器的。首先，在需要移植的代碼目錄下各建立一個(gè)和IAR并列的CodeWarrior文件夾，表示針對CodeWarrior開發(fā)環(huán)境的移植，然后，把原來IAR開發(fā)環(huán)境下的移植文件全部拷貝到CodeWarrior文件夾下。在CodeWarrior開發(fā)環(huán)境下，部分移植文件需要修改，這將在后面講述。接下來需要把所有相關(guān)的代碼添加到CodeWarrior工程中。為了便于組織和管理文件，采用以下步驟：
    ①在CodeWarrior工程的Sources文件夾下建立以下子文件夾；uC—CPU、uC—LIB、uCOS—Ⅲ、Cfg、BSP、APP。uC—CPU、uC—LIB和uCOS—III用來存放該組件包含的文件，Cfg存放配置頭文件，BSP存放板級支持包相關(guān)文件，APP存放用戶代碼文件。這里提一下，除了APP和Cfg文件夾外，其他文件夾可采用“虛擬文件夾”形式，這樣，該文件夾并不實(shí)際存在于Sources目錄下，只是用來對文件進(jìn)行分類管理。
    ②按照圖1所列的內(nèi)容，把uC—CPU、uC—LIB和uCOS—III三個(gè)組件相關(guān)的．c和．a(chǎn)sm文件添加到對應(yīng)文件夾，包括移植部分的文件。當(dāng)然，用戶也可以再新建一層子目錄區(qū)分移植部分和非移植部分。添加文件時(shí)有兩種方式：拷貝和鏈接。這里采用鏈接方式，不生成額外的拷貝，便于代碼的管理和更新。將圖1中“配置文件”列的幾個(gè)頭文件添加到Cfg文件夾(拷貝圖2中的模板文件)，這時(shí)采用拷貝方式，因?yàn)檫@些文件是應(yīng)用相關(guān)的，不同工程有不同的配置。而其他無需修改的頭文件不添加到工程中，而是將其路徑加入到工程搜索路徑中，這在后面講述。添加完所有文件后的工程目錄如圖3所示。

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3．3 修改文件
    前面提到，uC／OS—III和uC／CPU中需要移植的代碼文件在不同的編譯器下需要稍作修改。其中，C文件與編譯器無關(guān)，而匯編文件從IAR轉(zhuǎn)到CodeWarrior有幾個(gè)地方需要修改，這涉及cpu_a．a(chǎn)sm和os_cpu_a．a(chǎn)sm兩個(gè)文件，說明如下：
    ①在CodeWarrior的匯編文件中，默認(rèn)標(biāo)號都以“：”結(jié)尾，編譯指令都以“．”開頭。雖然也可以在工程設(shè)置里取消該限制，但還是建議按照該格式編寫代碼。因此，請檢查匯編代碼是否符合上述要求。
    ②在CodeWarrior的匯編文件中，聲明全局函數(shù)用的是．global，而IAR中用的是PUBLIC，如IAR中的“PUB-LIC OSStartHighRdy”應(yīng)改為“．global OSStartHighRdy”。
    ③在匯編文件中，代碼前要進(jìn)行代碼段的聲明，如IAR中的“RSEG CODE：CODE：NOROOT(2)”在CodeWarrior里應(yīng)改為“．text，code”
3．4 添加頭文件路徑
    右鍵點(diǎn)擊工程名，選擇“Properties”→“C／C++Build”→“Settings”，在“ARM Compile”→“Input”頁面可以添加頭文件搜索路徑，把工程中用到的頭文件所在的路徑加上，添加時(shí)建議使用相對路徑(相對工程目錄)，如圖4所示。

3．5 修改中斷向量衰
    CodeWarrior自動(dòng)生成的kinetis_sysinit．c文件包含了startup代碼和中斷向量表，把μC／OS—Ⅲ用到的兩個(gè)中斷向量加入中斷向量表，代碼如下：
   
    PendSV中斷和SysTick定時(shí)器集成于Cortex—M3／4內(nèi)核中，專門用于OS的任務(wù)切換和時(shí)鐘節(jié)拍。因此，只要是使用Cortex—M3／4內(nèi)核的單片機(jī)，這部分的移植代碼都是通用的。
3．6 代碼調(diào)試
    在進(jìn)行μC／OS—III應(yīng)用開發(fā)時(shí)，應(yīng)先從最小系統(tǒng)開始調(diào)試。在配置文件里把不需要的功能先關(guān)掉，如消息隊(duì)列、信號量、hook函數(shù)、統(tǒng)計(jì)任務(wù)等。在用戶程序里執(zhí)行完硬件相關(guān)的初始化后，先建立一個(gè)簡單的任務(wù)(即起始任務(wù))，然后測試任務(wù)調(diào)度是否正常。注意，這時(shí)在運(yùn)行的還有μC／OS—III內(nèi)部的空閑任務(wù)。
    如果任務(wù)調(diào)度正常，可在起始任務(wù)里初始化并打開時(shí)鐘節(jié)拍中斷，然后可通過斷點(diǎn)調(diào)試等手段測試時(shí)鐘中斷服務(wù)程序是否得到正確執(zhí)行。確認(rèn)后可在起始任務(wù)里調(diào)用延時(shí)相關(guān)的函數(shù)，如以一定的頻率閃燈，或者向串口輸出信息。如果上述測試通過，那么意味著μC／OS—III已經(jīng)運(yùn)行起來了，接下來用戶就可以一步步按照應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)了。

結(jié)語
    使用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境的讀者，只要按照以上步驟，即可在Kinetis系列單片機(jī)上完成μC／OS—III的編譯和運(yùn)行。本文所講述的步驟也可用于其他開發(fā)環(huán)境，遵循Micrium官方的文件組織結(jié)構(gòu)，可使得工程目錄結(jié)構(gòu)清晰規(guī)范，方便代碼的升級和共享。