基于ARM微處理器的uC/OS

 本文介紹了基于ARM微處理器的μC/OS-II的移植，并對其進(jìn)行擴(kuò)展，主要包括內(nèi)核、lwip、μC/GUI的移植。

概述

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個(gè)公開源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS，其特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。目前國內(nèi)對μC/OS-II的研究和應(yīng)用都很多。只要買一本書就可獲得源代碼，對學(xué)校和教育的使用完全免費(fèi)，商業(yè)應(yīng)用的費(fèi)用相對也很低。所以對μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究、開發(fā)、應(yīng)用具有重要意義。

大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：

(1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

(2)可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出臨界區(qū)代碼;

(3)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

(4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;

(5)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

基于ARM7的S3C44B0X處理器完全滿足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是ARM7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2個(gè)UART、1個(gè)多主I2C總線控制器、1個(gè)I2C總線控制器，以及5通道PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接，功能強(qiáng)大。目前，國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

1內(nèi)核的移植

μC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內(nèi)容：

(1)os_cpu.h中需要設(shè)置一個(gè)常量來標(biāo)識(shí)堆棧增長方向;

(2)os_cpu.h中需要聲明幾個(gè)用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏;

(3)os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型;

(4)os_cpu_a.asm需要改寫4個(gè)匯編語言的函數(shù);

(5)os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個(gè)簡單函數(shù);

(6)修改主頭文件include.h，將上面的三個(gè)文件和其他自己的頭文件加入。

完成上述工作后，μC/OS-II就可以運(yùn)行在ARM處理器上了。

2 LwIP的移植

μC/OS-II本身沒有TCP/IP協(xié)議棧，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，很少給出源代碼，影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-II上來，就獲得了一套可免費(fèi)研究、學(xué)習(xí)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)。

2.1 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer)

Lwip為了適應(yīng)不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒有使用和某一個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個(gè)操作系統(tǒng)封裝層。操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(wù)(定時(shí),進(jìn)程同步,消息傳遞)提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。在lwip中進(jìn)程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”。操作系統(tǒng)封裝層的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具體的操作系統(tǒng)相關(guān)的代碼在../lwip/src/arch/sys_arch.c中。

操作系統(tǒng)封裝層的主要函數(shù)如下:

void sys_init(void)//系統(tǒng)初始化

sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個(gè)郵箱

void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個(gè)郵箱

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個(gè)消息到郵箱

void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量

void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個(gè)信號(hào)量

void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個(gè)信號(hào)量

void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個(gè)信號(hào)量

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設(shè)置一個(gè)超時(shí)事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個(gè)超時(shí)事件

…

關(guān)于操作系統(tǒng)封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件。

2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.

2.2.1 系統(tǒng)初始化sys_int()

sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務(wù)tcpip_thread創(chuàng)建前被調(diào)用。

2.2.2 創(chuàng)建一個(gè)和tcp/ip相關(guān)新進(jìn)程sys_thread_new()

lwip中的進(jìn)程就是μC/OS-II中的任務(wù),注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的堆棧大小,可以根據(jù)情況自己設(shè)置，我設(shè)置成10*1024，因?yàn)?4b0X開發(fā)板上有8M的sdram;而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關(guān)的任務(wù)最多數(shù)目;LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級,tcpip_thread在所有tcp/ip相關(guān)進(jìn)程中應(yīng)該是優(yōu)先級最高的;另外tcpip_thread應(yīng)該是最先創(chuàng)建的。

2.2.3 Lwip中的定時(shí)事件

在tcp/ip協(xié)議中很多時(shí)候都要用到定時(shí),定時(shí)的實(shí)現(xiàn)也是tcp/ip協(xié)議棧中一個(gè)重要的部分。 LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線程都對應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線程的timeout時(shí)間長度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線程對應(yīng)的sys_timeout為空(NULL)，說明該線程對連接做永久的等待。timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。timeout隊(duì)列屬于線程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 “mbox”的實(shí)現(xiàn):

LwIP使用消息隊(duì)列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_free() //釋放一個(gè)消息隊(duì)列[!--empirenews.page--]

sys_mbox_post() //向消息隊(duì)列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊(duì)列中獲取消息

μC/OS-II同樣實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是μC/OS-II沒有對消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對消息的管理，我們定義了以下結(jié)構(gòu)：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類型的隊(duì)列指針(pQ)和隊(duì)列內(nèi)的消息(pvQEntries)兩部分，對隊(duì)列本身的管理利用μC/OS-II自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實(shí)現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊(duì)列功能。

2.2.5 semaphone的實(shí)現(xiàn)和mbox類似,這里就不再重復(fù)了。

3 uc/gui的移植

3.1 LCD的接口函數(shù)

在uC/GUI中LCD_LO_x之類的函數(shù)是無控制器LCD的接口函數(shù)。44B0X本身有LCD控制器。所以我在uC/GUI for 44B0X移植中基本移用LCDMemC.c這個(gè)程序。在這程序中都是關(guān)于LCD接口的驅(qū)動(dòng)。其中在44B0X上主要修改以下幾個(gè)函數(shù)：

(1)LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);

這個(gè)函數(shù)完成對44B0X LCD控制器的配置。顯存的映射。

(2)畫點(diǎn)函數(shù)：void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);

取點(diǎn)函數(shù)：unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);

uC/GUI中顯示字、圖形都這兩個(gè)函數(shù)有關(guān)。

3.2 系統(tǒng)接口函數(shù)

在uCOS-II中用GUI的，所以還要寫幾個(gè)操作系統(tǒng)接口函數(shù)。而GUI_X_x之類的函數(shù)是和操作系統(tǒng)相關(guān)的接口。

(1)系統(tǒng)時(shí)間接口

取系統(tǒng)時(shí)間： int GUI_X_GetTime (void);

延時(shí)函數(shù)： void GUI_X_Delay (int ms);

(2)任務(wù)調(diào)度函數(shù)

任務(wù)初始化：void GUI_X_InitOS (void);

任務(wù)鎖定：void GUI_X_Lock (void);

任務(wù)解鎖：void GUI_X_Unlock (void);

4 結(jié)束語

上述移植完成后，使在ARM微處理器上建立一個(gè)既有TCP/IP協(xié)議棧，又建立了圖形用戶接口的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。