淺談μCOSII在Cortex-M3核的ARM處理器上的移植

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到汽車電子、無線通信、數(shù)碼產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)及嵌入式處理器技術(shù)發(fā)展迅猛，嵌入式操作系統(tǒng)典型代表有μCOS—II、μClinux、Winclow CE、VxWorks等；嵌入式處理器包括ARM、MIPS、PowerPC等。

1 軟硬件開發(fā)環(huán)境及處理器介紹

1.1 軟件硬開發(fā)環(huán)境

本移植過程使用的軟件環(huán)境是RealView MDK開發(fā)套件，此產(chǎn)品是ARM公司最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具，該開發(fā)套件功能強(qiáng)大，包括了μVisiON3集成開發(fā)環(huán)境和RealView編譯器。使用的硬件平臺是深圳英蓓特公司推出的全功能評估板STMl03V100，其上所采用的處理器是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位哈佛結(jié)構(gòu)ARM處理器STM32F103VBT6，該處理器內(nèi)置ARM公司最新的Cortex—M3核，并且具有非常豐富的片上資源。

1.2 關(guān)于基于Cortex-M3的ARM處理器的介紹

基于Cortex—M3核的ARM處理器支持兩種模式，分別稱為線程模式和處理模式。程序可以在系統(tǒng)復(fù)位時或中斷返回時兩種情況下進(jìn)入線程模式，而處理模式只能通過中斷或異常的方式來進(jìn)入。處于線程模式中代碼可以分別運(yùn)行在特權(quán)方式下和非特權(quán)方式下。處于處理模式中的代碼總是運(yùn)行在特權(quán)方式下。運(yùn)行在特權(quán)方式下的代碼對系統(tǒng)資源具有完全訪問權(quán)，而運(yùn)行在非特權(quán)方式下的代碼對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)受到一定限制。處理器可以運(yùn)行在Thumb狀態(tài)或Debug狀態(tài)。在指令流正常執(zhí)行期間，處理器處于Thumb狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行程序調(diào)試時，指令流可以暫停執(zhí)行，這時處理器處于Debug狀態(tài)。處理器有兩個獨(dú)立的堆棧指針，分別稱為MSP和PSP。系統(tǒng)復(fù)位時總是處于線程模式的特權(quán)方式下，并且默認(rèn)使用的堆棧指針是MSP。本移植過程中假設(shè)任務(wù)總是運(yùn)行在線程模式的特權(quán)方式下且總是使用堆棧指針PSP。

2 移植過程詳解

2.1 μCOS-II內(nèi)核介紹

μCOS—II是一個實時可剝奪型操作系統(tǒng)內(nèi)核，該操作系統(tǒng)支持最多64個任務(wù)，但每個任務(wù)的優(yōu)先級必須互不相同，優(yōu)先級號小的任務(wù)比優(yōu)先級號大的任務(wù)具有更高的優(yōu)先級，并且該操作系統(tǒng)總是調(diào)度優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)運(yùn)行。此內(nèi)核的代碼是美國人Jean J.Labrosse用C語言編寫的，具有很好的可移植性，其2.52版本通過了美國航天航空管理局的安全認(rèn)證，可靠性非常高。文中所述的移植過程使用的就是該版本的源代碼。

2.2 開始移植

μCOS—II v2.52的源代碼按照移植要求分為需要修改部分和不需要修改部分。其中需要修改源代碼的文件包括頭文件OS_CPU.H、C語言文件OS_CPU.C以及匯編格式文件OS_CPU_A.ASM。

2.2.1 修改頭文件OS_CPU.H

頭文件OS_CPU.H中需要修改的內(nèi)容有與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型重定義部分和與處理器相關(guān)的少量代碼。由于本移植過程中使用的是RealView編譯器，因此通過查閱此編譯器的相關(guān)說明文檔可以得到其所支持的基本數(shù)據(jù)類型，據(jù)此修改OS_CPU.H中與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型重定義部分。修改后代碼如下所示：

其中定義的數(shù)據(jù)類型OS_STK指出了處理器堆棧中的數(shù)據(jù)是32位的，OS_CPU_SR指出了處理器狀態(tài)寄存器字長也為32位。

頭文件中與處理器相關(guān)部分代碼包括臨界區(qū)訪問處理、處理器堆棧增長方向及任務(wù)切換宏定義。臨界區(qū)代碼訪問涉及到全局中斷開關(guān)指令，由文獻(xiàn)可以得知關(guān)中斷和開中斷可以分別由指令CPSID i和CPSIE i實現(xiàn)，文中臨界段訪問處理如下：

其中INT_DIS（）和INT_EN（）分別對應(yīng)關(guān)中斷和開中斷處理過程。

根據(jù)文獻(xiàn)可知文中所使用的處理器支持的堆棧為滿遞減方式，即堆棧的增長方向是從內(nèi)存高地址向低地址方向遞減并且堆棧指針總是指向棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。在頭文件OS_CPU.H中相應(yīng)代碼只須修改一條，如下所示

#define OS_STK_GROWTH1

此定義中的1代表堆棧方向是向下遞減的。

頭文件OS_CPU.H中最后一個要修改的地方是任務(wù)切換宏定義，μCOS—II內(nèi)核就是通過這個宏調(diào)用來觸發(fā)任務(wù)級的任務(wù)切換。任務(wù)切換一般是通過陷阱或軟件中斷來實現(xiàn)的，在基于Cortex—M3核的處理器中支持一條稱為超級用戶調(diào)用的指令SVC，此指令是ARM軟件中斷指令SWI的升級版。此處的宏定義代碼修改為如下形式

#define OS_TASK_SW（）OS_SVC（）

其中OS_SVC（）之中包含了SVC指令，它可以由嵌入?yún)R編的方式在C語言代碼中進(jìn)行定義，如下所示

_asm void OS_SVC（void）{SVCOx00}

以上代碼以嵌入?yún)R編的方式定義了一個輸入?yún)?shù)和返回值都為空的C語言函數(shù)，嵌入?yún)R編的格式在RealView編譯器的說明文檔中有詳細(xì)的說明。

2.2.2 修改C語言文件OS_CPU.C

根據(jù)文獻(xiàn)可知文件OS_CPU.C中有10個C語言函數(shù)需要編寫，這些函數(shù)中唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit，其他9個函數(shù)必須聲明，但不一定要包含任何代碼。為了簡潔起見，本移植過程只編寫了OSTaskStkInit，此函數(shù)的作用是把任務(wù)堆棧初始化成好像剛發(fā)生過中斷一樣。要初始化堆棧首先必須了解微處理器在中斷發(fā)生前后的堆棧結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)易知微處理器在中斷發(fā)生前后的堆棧結(jié)構(gòu)，并且可知寄存器xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、RO是中斷時由硬件自動保存的。初始化時需要注意的地方是xPSR、PC和LR的初值，對于其他寄存器的初值沒有特別的要求。xPSR比特位是Thumb狀態(tài)位，初始化時須置1，否則執(zhí)行代碼時會引起一個稱為Invstate的異常，這是因為內(nèi)置Cortex—M3核的微處理器只支持Thumb和Thumb2指令集。堆棧中PC和LR須初始化為任務(wù)的入口地址值，這樣才能在任務(wù)切換時跳轉(zhuǎn)到正確的地方開始執(zhí)行。此函數(shù)可以用以下代碼來實現(xiàn)：

2.2.3 修改匯編語言文件OS_CPU_A.ASM

匯編文件OS_CPU_A.ASM中需要編寫的函數(shù)分別為OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。第一個函數(shù)的作用是啟動多任務(wù)調(diào)度，此函數(shù)只在操作系統(tǒng)開始調(diào)度任務(wù)前執(zhí)行一次，以后不再調(diào)用。按照文獻(xiàn)中所述須將堆棧中的寄存器依次彈出，然后執(zhí)行一條中斷返回指令來開始第一個用戶任務(wù)的調(diào)度。但基于Cortex—M3核的ARM處理器在執(zhí)行中斷返回指令時必須處于處理模式下，否則將會引起內(nèi)存訪問異常。當(dāng)系統(tǒng)上電啟動時或程序重置后，處理器會進(jìn)入線程模式，而要在函數(shù)OSStartHighRdy中執(zhí)行中斷返回指令就首先需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)入處理模式，而進(jìn)行同步可控制模式轉(zhuǎn)換的途徑是超級用戶調(diào)用，即通過SVC指令產(chǎn)生軟件中斷可轉(zhuǎn)換到處理模式。實際上考慮到此函數(shù)只在啟動多任務(wù)調(diào)度開始前被調(diào)用一次，并且第一次調(diào)度任務(wù)運(yùn)行時任務(wù)堆棧中除了xPSR、PC和LR的初值以外，其他寄存器的初值無關(guān)緊要。因此可以簡化該函數(shù)的編寫，只須從第一個任務(wù)的堆棧中取出該任務(wù)的首地址，然后修改堆棧指針使其指向任務(wù)堆棧中內(nèi)存地址最高處，即相當(dāng)于拋棄任務(wù)堆棧中所有數(shù)據(jù)，最后根據(jù)取出的地址直接跳轉(zhuǎn)到任務(wù)入口地址處開始執(zhí)行。這樣可以免去軟件中斷和模式切換，從而簡化了對此函數(shù)的編寫。需要說明的是在拋棄任務(wù)堆棧中所用數(shù)據(jù)的同時也將xPSR的初值拋棄了，但這并不影響第一個任務(wù)投人運(yùn)行，因為在跳轉(zhuǎn)到第一個任務(wù)運(yùn)行之前，指令流是在Thumb狀態(tài)下正常執(zhí)行的，xPSR已經(jīng)有了確定的值。此函數(shù)代碼如下所示：

BX r0；直接跳轉(zhuǎn)到第一個任務(wù)的入口地址

第二個匯編語言函數(shù)OSCtxSw是任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)。若在任務(wù)執(zhí)行過程中有一個比當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，μCOS—II內(nèi)核就會啟動OSCtxSw進(jìn)行任務(wù)切換。該函數(shù)會保存當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)，然后恢復(fù)那個優(yōu)先級更高的任務(wù)狀態(tài)，使之投入運(yùn)行。前述的宏定義#defineOS_TASK_SW（）OS_SVC（）中的OS_SVC（）包含了SVC軟件中斷指令，此中斷的中斷向量應(yīng)該設(shè)為函數(shù)OSCtxSw的入口地址，即OSCtxSw是SVC指令產(chǎn)生中斷的中斷服務(wù)程序，其源代碼如下：

由于微處理器在進(jìn)入中斷時按堆棧增長方向自動順序保存了如下8個寄存器：xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0，因此在程序中只須保存另外8個寄存器，保存順序可以隨意，但注意彈棧時要按照先進(jìn)后出的方式進(jìn)行。按照本文開頭的假定，任務(wù)總是運(yùn)行在線程模式的特權(quán)方式下且總是使用堆棧指針PSP。而中斷產(chǎn)生后，中斷服務(wù)程序?qū)⑻幱谔幚砟Ｊ较拢⑶夷J(rèn)使用的堆棧指針是MSP。因此在保存堆棧指針的時候需要保存的是當(dāng)前任務(wù)的PSP。中斷返回前新任務(wù)的堆棧指針需要恢復(fù)到PSP中。中斷返回使用如下指令

MOVrO，#Oxfffffffd

BXr0

其中立即數(shù)#0xfffffffd包含了返回信息，用這兩條指令可以使中斷返回時使用任務(wù)堆棧指針PSP，返回后任務(wù)處于線程模式且使用任務(wù)堆棧指針PSP。

第三個匯編語言函數(shù)OSIntCtxSw與OSCtxSw類似。若任務(wù)執(zhí)行過程中產(chǎn)生了中斷，且中斷服務(wù)程序使得一個比當(dāng)前被中斷的任務(wù)具有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒時，μCOS—II內(nèi)核就會在中斷返回之前調(diào)用函數(shù)OSIntCtxSw。在此函數(shù)中不需要像任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)那樣保存當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)，因為當(dāng)前任務(wù)已經(jīng)被中斷，在進(jìn)入中斷服務(wù)程序的時候任務(wù)狀態(tài)已被保存。其源代碼與函數(shù)OSctxSw中保存當(dāng)前任務(wù)堆棧PSP指令以后部分相同，此處不再列出。

第4個匯編語言函數(shù)OSTickISR是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)函數(shù)。處理器STM32F103VBT6中有一個專用系統(tǒng)時鐘節(jié)拍定時器SysTick，本移植過程使用此定時器產(chǎn)生每100 ms一次的時鐘節(jié)拍中斷。此函數(shù)源代碼如下：

3 程序開發(fā)模式討論

傳統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)模式稱為超循環(huán)模式，即通常主程序是由C語言中的for語句或while語句構(gòu)成的一個無限循環(huán)，程序在此循環(huán)中檢測事件的發(fā)生，從而轉(zhuǎn)向不同的任務(wù)。這種程序開發(fā)模式有兩個主要的不足之處。首先從程序維護(hù)和可靠性的角度來看，所有任務(wù)都需要程序開發(fā)人員來進(jìn)行全局性的維護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)變得龐大和復(fù)雜時，任務(wù)的維護(hù)會變得非常麻煩，同時程序的可靠性也受到影響。其次，從任務(wù)級響應(yīng)時間來看，這個時間是不確定的，因為程序在循環(huán)體中檢測事件發(fā)生的位置是固定的，但事件的發(fā)生是隨機(jī)的，因此從事件發(fā)生到程序檢測到事件發(fā)生這段時間也是不確定的。

在基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)過程中，應(yīng)用程序開發(fā)人員只需關(guān)心各個任務(wù)本身，而任務(wù)調(diào)度由操作系統(tǒng)代勞。以下的例子說明了基于μCOS—II嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)模式

其中函數(shù)SysInit的作用是根據(jù)具體應(yīng)用對處理器芯片進(jìn)行必要的初始化，例如對系統(tǒng)的時鐘分配以及通用輸入輸出端口配置。函數(shù)OSInit是μCOS—II操作系統(tǒng)的內(nèi)核初始化程序。第一個OSTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建了任務(wù)Taskl，此任務(wù)的入口地址是Taskl，優(yōu)先級是0。第二個OSTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建了任務(wù)Task2，此任務(wù)的入口地址是Task2，優(yōu)先級是1。函數(shù)OSTaskCrate還會將其創(chuàng)建的任務(wù)置于就緒態(tài)。文獻(xiàn)敘述了函數(shù)OSTa-skCreate的各個參數(shù)的含義。函數(shù)OSStart用于啟動多任務(wù)調(diào)度。OSTimeDly是μCOS—II內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，用于延時或定時，這里的參數(shù)5表示延時5個時鐘節(jié)拍。應(yīng)用程序開發(fā)人員需要做的就是通過調(diào)用μCOS—II內(nèi)核提供的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate將編寫好的任務(wù)程序交給操作系統(tǒng)管理。

該例中在調(diào)用OSStart后，操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)任務(wù)Taskl的優(yōu)先級最高，于是操作系統(tǒng)就調(diào)度任務(wù)Taskl使其投入運(yùn)行，而任務(wù)Task2暫時不能獲得處理器的使用權(quán)。任務(wù)Taskl首先點(diǎn)亮一個LED，然后延時一段時間，當(dāng)運(yùn)行到OSTimeDly處時，該任務(wù)被掛起而處于等待狀態(tài)，此時任務(wù)Task2成為優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)，于是操作系統(tǒng)調(diào)度Task2運(yùn)行。當(dāng)5個時鐘節(jié)拍的延時時間結(jié)束時，系統(tǒng)時間節(jié)拍中斷服務(wù)子程序會重新將任務(wù)Taskl置于就緒狀態(tài)，此時任務(wù)Taskl再一次成為優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)，于是操作系統(tǒng)保存任務(wù)Task2的狀態(tài)，并恢復(fù)任務(wù)Taskl的狀態(tài)使其又一次獲得處理器的使用權(quán)。此后程序執(zhí)行過程將重復(fù)上述步驟。可以看到，在這個例子中的現(xiàn)象是某個LED燈不停的閃爍。

μCOS—II操作系統(tǒng)內(nèi)核是實時可剝奪型的，這意味著在任務(wù)執(zhí)行過程中或中斷服務(wù)子程序中，一旦有一個新的更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，內(nèi)核將立刻調(diào)度此新任務(wù)運(yùn)行，這說明響應(yīng)任務(wù)的時間是即刻的、確定的。

綜上所述，基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)過程相對于以往傳統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)大為簡化而且任務(wù)級響應(yīng)時間也得到最優(yōu)化。

4 結(jié)束語

通過將移植過程中修改的μCOS—II內(nèi)核代碼與上述例子中的應(yīng)用程序代碼在μVision3集成開發(fā)環(huán)境中編輯整合后進(jìn)行編譯、鏈接并且下載到目標(biāo)硬件平臺進(jìn)行長時間觀察，發(fā)現(xiàn)LED不停的閃爍，說明本移植過程是成功的。