μC/OS-II在Cortex-M3系列單片機(jī)上的移植
描述嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII在LM3S系列單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)移植的過(guò)程。介紹操作系統(tǒng)的移植原理和方法,以LM3S8962單片機(jī)為例給出部分移植函數(shù)的代碼,并通過(guò)一個(gè)實(shí)例的應(yīng)用驗(yàn)證移植的正確性。
引言
μC/OSII是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng),具有良好的擴(kuò)展性和可移植性,被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式處理器上;對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量,減少開(kāi)發(fā)周期和降低成本有著重要的意義。本文以μC/OSII為移植對(duì)象,以ARM
CortexM3內(nèi)核微處理器為移植目標(biāo)來(lái)討論其移植過(guò)程及應(yīng)用。
1 μC/OSII及ARM CortexM3簡(jiǎn)介
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核,程序可讀性強(qiáng),移植性好,代碼固定,可裁剪,非常靈活。至今,從8位到64位,μC/OSII已在超過(guò)40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。μC/OSII的主要特點(diǎn)有:是優(yōu)先級(jí)可剝奪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng);可處理和調(diào)度56個(gè)用戶任務(wù),任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整;提供任務(wù)間通信、同步使用的信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列;具有良好的可裁剪性,可盡量減小系統(tǒng)的ROM和RAM大小。
ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu),它以低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。當(dāng)前ARM系列的處理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM
11等多個(gè)產(chǎn)品。CortexM3內(nèi)核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能處理器內(nèi)核,是ARM新型 V7
指令集結(jié)構(gòu)系列的微控制器版本,可用于企業(yè)應(yīng)用、汽車(chē)系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線技術(shù)等領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)是:
① 功耗低;
② 內(nèi)核的門(mén)數(shù)少,具有優(yōu)異的性價(jià)比;
③ 中斷延時(shí)短;
④ 調(diào)試成本低;
⑤ 具有嵌套向量中斷控制器(NVIC),與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲的中斷處理;
⑥ 具有可裁減的存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU),用于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行保護(hù)。
2 移植μC/OSII
Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含運(yùn)行在 50 MHz頻率下的ARM CortexM3
MCU內(nèi)核、嵌入式Flash和SRAM、1個(gè)低壓降的穩(wěn)壓器、集成的掉電復(fù)位和上電復(fù)位功能、模擬比較器、10位ADC、SSI、GPIO、看門(mén)狗和通用定時(shí)器、UART、I2C、運(yùn)動(dòng)控制PWM以及正交編碼器(quadrature
encoder)輸入,非常適合樓宇和家庭自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化和控制、工控電源設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)、有刷和無(wú)刷DC馬達(dá)、AC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等方面的應(yīng)用。
本移植在如下環(huán)境中完成:編譯工具采用IAR FOR
ARM,目標(biāo)板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962開(kāi)發(fā)板。主機(jī)通過(guò)LMLINK JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境。
移植過(guò)程中,μC/OSII的核心源代碼不用修改,可以直接放在μC/OSII
Source文件夾中。μC/OSII\Ports目錄存放μC/OSII基于LM3S單片機(jī)的移植代碼,包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三個(gè)必要的文件。Target目錄中的Startup.S文件是單片機(jī)的啟動(dòng)代碼和中斷向量表,Target.C和Target.H提供單片機(jī)初始化函數(shù)TargetInit(
)和其他簡(jiǎn)單的外設(shè)控制API函數(shù)。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。
將μC/OSII移植到ARM處理器上需要修改3個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件: OS_CPU
.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分別介紹這3個(gè)文件的移植工作。
圖1
(1) OS_CPU.H文件
包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定義類(lèi)型等。
① OS_CPU.H定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。在這次移植中μC/OSII重新定義了數(shù)據(jù)類(lèi)型,如下所示:
typedefunsigned charBOOLEAN;
typedefunsigned charINT8U;
typedefsigned charINT8S;
typedefunsigned shortINT16U;
typedefsignedshortINT16S;
typedefunsigned intINT32U;
typedefsignedintINT32S;
typedeffloatFP32;
typedefdoubleFP64;
typedefunsigned intOS_STK;
typedefunsigned intOS_CPU_SR;
② 修改與ARM處理器相關(guān)的內(nèi)容。不同處理器的堆棧增長(zhǎng)方向是不一樣的,ARM
CortexM3的堆棧是從高地址往低地址增長(zhǎng)的,OS_STK_GROWTH設(shè)為1,程
序如下:
#defineOS_STK_GROWTH1
(2) OS_CPU_C.C文件
在OS_CPU_C.C定義的C函數(shù)中,OSTaskStkInit(
)函數(shù)與CPU相關(guān),所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序如下(初始化任務(wù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)初始化任務(wù)使用的堆棧):
OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK
*ptos,INT16U opt) {
OS_STK *stk;
(void)opt;//防止編譯警告
stk=ptos;//裝載棧頂指針,即堆棧數(shù)組最后的地址模擬中斷發(fā)生的堆棧情況
*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR
*(stk) =(INT32U)task;//PC,任務(wù)入口
*(stk) =(INT32U)0xFFFFFFFEL;//R14(LR)
*(stk) =(INT32U)0x12121212L;//R12
*(stk) =(INT32U)0x03030303L;//R3
*(stk) =(INT32U)0x02020202L;//R2
*(stk) =(INT32U)0x01010101L;//R1
*(stk) =(INT32U)p_arg;//R0,輸入?yún)?shù)p_arg模擬任務(wù)進(jìn)程,保存其他寄存器到堆棧
*(stk) =(INT32U)0x11111111L;//R11
*(stk) =(INT32U)0x10101010L;//R10
*(stk) =(INT32U)0x09090909L;//R9
*(stk) =(INT32U)0x08080808L;//R8
*(stk) =(INT32U)0x07070707L;//R7
*(stk) =(INT32U)0x06060606L;//R6
*(stk) =(INT32U)0x05050505L;//R5
*(stk) =(INT32U)0x04040404L;//R4
return(stk);
}
(3) OS_CPU_A.ASM文件
μC/OSII的移植需要編寫(xiě)5個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)。
① OS_ENTER _CRITICAL( ): 關(guān)閉中斷源。
② OS_EXIT_CRITICAL( ): 重開(kāi)中斷源。
③ OSStartHighRdy( ): 運(yùn)行當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。[!--empirenews.page--]
④ OSCtxSw( ): 一個(gè)任務(wù)放棄CPU使用權(quán)時(shí)調(diào)用。
⑤ OSIntCtxSw(): 在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit( )中被調(diào)用,實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換。
因?yàn)長(zhǎng)M3S單片機(jī)目前只支持8位中斷優(yōu)先級(jí)中的高3位,所以這里把1左移5位即是00100000B,其宏定義為OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。
ARM CortexM3使用OSPendSV( )函數(shù)快捷地進(jìn)行上下文切換。OSPendSV( )的C語(yǔ)言表述程序如下:
OSPendSV:關(guān)中斷;
if(PSP !=NULL) {
保存R4~R11到任務(wù)堆棧SP_process;
OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;
}
OSTaskSwHook( );
OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;
從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)R4~R11;
恢復(fù)中斷;
異常返回;
完成上述工作后,只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際情況編寫(xiě)Target目錄中的3個(gè)文件,μC/OSII就可以運(yùn)行在LM3S8962單片機(jī)上了。
3 實(shí)際應(yīng)用
移植工作完成后,編寫(xiě)了一段程序,可以進(jìn)行CAN通信,按鍵控制LED燈,通過(guò)RS232串口與主機(jī)相連實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的讀寫(xiě)等操作。下面是程序的部分代碼:
staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任務(wù)堆棧*/
staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*啟動(dòng)任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按鍵任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任務(wù)的堆棧*/
OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收數(shù)據(jù)郵箱*/
OS_EVENT *DispSem;/*按鍵信號(hào)量 */
OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信號(hào)量*/
在Main.H中定義任務(wù)優(yōu)先級(jí)為:
#defineTASK_START_PRIO0
#defineTASK_CARD_PRIO1
#defineTASK_LED_PRIO2
#defineTASK_KEY_PRIO3
#defineTASK_CAN_PRIO4
其中創(chuàng)建任務(wù)的任務(wù)代碼為:
static void taskStart (void*parg) {
(void)parg;
DispSem = OSSemCreate(1);
DispSem1 = OSSemCreate(0);
targetInit();/*初始化目標(biāo)單片機(jī)*/
#if OS_TASK_STAT_EN > 0
OSStatInit();/*使能統(tǒng)計(jì)功能*/
#endif
/*在這里創(chuàng)建其他任務(wù)*/
OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE 1],
TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任務(wù)*/
OSTaskCreate ( Task_Card,/*創(chuàng)建SD卡操作任務(wù)*/
(void *)0,
&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE 1],
TASK_CARD_PRIO );
OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*創(chuàng)建按鍵操作任務(wù)*/
&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE 1],
TASK_KEY_PRIO);
OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*創(chuàng)建CAN操作任務(wù) */
&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE 1],
TASK_CAN_PRIO);
while (1) {
OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*啟動(dòng)任務(wù)可在這里掛起*/
}
}
SDExample為方便觀察SD卡操作任務(wù)編寫(xiě)的GUI界面,選好與程序?qū)?yīng)的串口波特率,連接好硬件。從圖2可以看到,對(duì)SD卡可以進(jìn)行成功操作。
圖2
結(jié)語(yǔ)
μC/OSII作為一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)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。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其在LM3S8962上的成功移植,并通過(guò)一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了移植的正確性。本次移植只是做了一些基礎(chǔ)性工作,在此基礎(chǔ)上還可進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā),充分利用LM3S系列單片機(jī)的性能和μC/OSII的特點(diǎn),在檢測(cè)與維修領(lǐng)域發(fā)揮一定作用。