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)來討論其移植過程及應(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、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無線技術(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開發(fā)板。主機(jī)通過LMLINK JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

移植過程中,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、宏和自定義類型等。

① OS_CPU.H定義的數(shù)據(jù)類型。在這次移植中μC/OSII重新定義了數(shù)據(jù)類型，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方向是不一樣的，ARM

CortexM3的堆棧是從高地址往低地址增長的，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5個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語言函數(shù)。

① OS_ENTER _CRITICAL( )： 關(guān)閉中斷源。

② OS_EXIT_CRITICAL( )： 重開中斷源。

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，編寫了一段程序，可以進(jìn)行CAN通信，按鍵控制LED燈，通過RS232串口與主機(jī)相連實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的讀寫等操作。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

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。