μC/OS-II在凌陽單片機SPCE061A上的移植

以凌陽單片機為例詳細介紹μC/OS-II的移植方法;重點講解在系統(tǒng)移植過程中一些難以理解的概念，并首次實現(xiàn)了μC/OS-II在凌陽SPCE061A單片機上的移植。

目前，實時操作系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。μC/OS-II作為一個實時內核，由于其源碼公開、代碼規(guī)范，廣受開發(fā)人員的喜愛。SPCE061A是凌陽公司繼μ’nSPTM系列產品SPCE500A等之后新推出的一款16位單片機，內部集成A/D、D/A等多種接口電路，能很方便地嵌入工業(yè)控制的各種場合。更重要的是，其內嵌2K字的SRAM和32K的Flash ROM，因此，在不需要擴展外部存儲器的情況下就可以實現(xiàn)μC/OS-II系統(tǒng)的移植。

1 μC/OS-II實時操作系統(tǒng)介紹

μC/OS-II是一種專門為微控制器設計的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)，它以源代碼的形式給出。其內核主要提供進程管理、時間管理、內存管理等服務。系統(tǒng)最多支持56個任務，每個任務均有一個獨有的優(yōu)先級。由于其內核為搶先式，所以總是處于運行態(tài)最高優(yōu)先級的任務占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù)，實現(xiàn)進程之間的通信以及進程狀態(tài)的轉化。

2 μC/OS-II系統(tǒng)結構分析與移植

μC/OS-II的軟件體系結構如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。這三個文件是與芯片的硬件特性有關的，它們主要提供任務切換與系統(tǒng)時鐘的功能。其它文件用C寫成，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供任務管理、任務之間通信、時間管理以及內存管理等功能。

眾所周知，μC/OS-II是一個多任務操作系統(tǒng)。既然是多任務，就需要解決任務切換的問題。任務切換是在進行系統(tǒng)移植過程需要解決的最主要的問題。由于任務切換涉及到對芯片寄存器的操作，所以它主要用匯編語言寫成，因此，對于不同的單片機，其任務切換的代碼是不同的;但是只要理解其原理，就能舉一反三，以不變應萬變。下文將重點講解任務切換的原理。多任務系統(tǒng)在運行時每個任務好像獨立占用CPU一樣，因此系統(tǒng)必須為每個任務開辟一塊內存空間作為該任務的任務堆棧。該堆棧的作用是保存任務被切換前時CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。根據(jù)以上討論，可總結出在進行任務切換時需要完成的工作，主要步驟如下：

① 將當前任務CPU所有的寄存器壓棧;

② 將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當前任務的任務堆棧中;

③ 得到下一個處于運行態(tài)優(yōu)先級最高的任務的任務堆棧的指針;

④ 恢復下一個任務的CPU寄存器的值;

⑤ 恢復下一個任務的系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù);

⑥ 通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令，間接修改PC寄存器的值來進行任務切換。

在為μCOS-II編寫任務切換代碼時需要注意的是：μCOS-II在每次發(fā)生中斷后都會產生任務調度，但在中斷結束后進行的任務切換，不能調用普通任務切換函數(shù)，這是因為在中斷過程中往往伴隨將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。以凌陽單片機為例，在中斷后，芯片將PC和SR寄存器的值壓入堆棧，因此，在中斷結束后進行的任務切換中必須對堆棧指針進行調整。

在系統(tǒng)移植過程中另一個較為重要的部分是系統(tǒng)時鐘。μCOS-II要求系統(tǒng)能產生10~100Hz的時鐘節(jié)拍。該時鐘節(jié)拍由硬件定時器產生。仍以凌陽單片機為例，可選用時基信號TMB2產生128Hz中斷，作為系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的產生源。系統(tǒng)時鐘中斷服務子程序用匯編語言寫成，由于其主要功能在用C編寫的子函數(shù)中實現(xiàn)，因此，編寫該服務子程序的難度不大。

3 μC/OS-II BSP代碼的編寫

BSP(板級支持包)是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的硬件。我們以凌陽SPACE061A單片機為例介紹BSP代碼的編寫。

3.1 任務切換

凌陽SPACE061A單片機有R1~R5 五個通用寄存器，還有1個SR(CPU狀態(tài)寄存器)，再加上PC，總共有7個CPU內部寄存器在任務切換時需要保存。μCOS-II系統(tǒng)調用OSCtxSw( )來實現(xiàn)任務的切換，下面給出其部分代碼：

_OSCtxSw:

PUSHALL // 將所有寄存器壓棧

OSIntCtxSw_in:

// 求出系統(tǒng)堆棧的長度 ,并將其存入R2

R1=SP

R2=OSStkStart

R1+=1

R2=R2-R1

R1=[_OSTCBCμγ]// R1≤OSTCBStkPtr， R1 為任

//務堆棧的頭指針

R1=[R1] // 首先將系統(tǒng)堆棧長度保存在任

//務堆棧中

[R1]=R2

R3=OSStkStart // 得到堆棧的起始地址

// 保存系統(tǒng)堆棧到任務堆棧

save_stack:

R3-=1

R1+=1

R4=[R3]

[R1]=R4

R2-=1

JNZ save_stack

CALL _OSTaskSwHook

R1=[_OSTCBHighRdy]

[_OSTCBCur]=R1

R1=[_OSPrioHighRdy]

[_OSPrioCur]=R1

JMP OSCtxSw_in

3.2 μCOS-II系統(tǒng)時鐘

以凌陽SPCE061A單片機的TMB2時基信號作為系統(tǒng)時鐘，每經歷一個時鐘節(jié)拍的時間將產生一次中斷，在中斷服務子程序中會調用OSTickISR()函數(shù)，匯編代碼如下：

_OSTickISR:

PUSHALL

R1=0x0001

test R1,[P_INT_Ctrl]

JZ OUT

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

CALL _OSIntEnter

CALL _OSTimeTick

CALL _OSIntExit

OUT:

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

POPALL

RETI

結 語

RTOS是當今嵌入式應用的熱點。應用RTOS，可以提高產品的可靠性，降低研發(fā)周期。μCOS-II具有很好的實時性和很小的代碼量，因此掌握μCOS-II的移植方法是相當重要的。本文移植修改的源代碼請參見本刊網絡補充版(http://www.dpj.com.cn)。