OS-II在ARM处理器上的移植

剖析uCOS 整个嵌入式系统分为两大层:硬件层和软件层.这里主要研究软件层的架构. 软件层主要分为四个部分:实时操作系统内核,与处理器相关部分,与应用相关部分,用户的 应用系统. l 实时操作系统内核 实时操作系统对系统资源进行管理。主要包括任务分配和调度、系统时钟服务、内存管理 、消息机制、异常处理等等。uC/OS所有系统服务均由内核提供。内核将应用系统和底层硬 件结合成一个完整的实时系统。 移植的时候内核是不变的,开发者根据自己应用系统的需要来选择实时操作系统内核,开发 者不能对内核随意访问，只能使用内核提供的功能服务来开发自己的应用系统。内核确定 ，那么所提供的系统管理能力，系统服务也就得到了限定。开发者只能在规定的范围内对 系统作些改动. l 与处理器相关的代码 这是移植中最关键的部分.内核将应用系统和底层硬件有机的结合成一个实时系统,要使同 一个内核能适用于不同的硬件体系,就需要在内核和硬件之间有一个中间层,这就是与处理 器相关的代码.处理器不同,这部分代码也不同. 我们在移植时需要自己处理这部分代码,可以自己编写,也可以直接使用已经成功移植 的代码. 在uC/OS中这一部分代码分成三个文件:OS_CPU.H, OS_CPU_A.ASM, OS_CPU_C.C 1) OS_CPU.H 包括了用#define定义的与处理器相关的常量,宏和类型定义. 具体来讲有系统数据类型定义,栈增长方向定义,关中断和开中断定义,系统软中断的定义等 等. 2) OS_CPU_A.ASM 这部分需要对处理器的寄存器进行操作,所以必须用汇编语言来编写.包括四个子函数:OSS tartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR(). OSStartHighRdy()在多任务系统启动函数OSStart()中调用.完成的功能是:设置系统运行标 志位OSRunning = TRUE;将就绪表中最高优先级任务的栈指针Load到SP中,并强制中断返回 .这样就绪的最高优先级任务就如同从中断里返回到运行态一样,使得整个系统得以运转. OSCtxSw()在任务级任务切换函数中调用的.任务级切换是通过SWI或者TRAP人为制造的中断 来实现的.ISR的向量地址必须指向OSCtxSw().这一中断完成的功能:保存任务的环境变量( 主要是寄存器的值,通过入栈来实现),将当前SP存入任务TCB中,载入就绪最高优先级任务的 SP,恢复就绪最高优先级任务的环境变量,中断返回.这样就完成了任务级的切换. OSIntCtxSw()在退出中断服务函数OSIntExit()中调用,实现中断级任务切换.由于是在中断 里调用,所以处理器的寄存器入栈工作已经做完,就不用作这部分工作了.具体完成的任务: 调整栈指针(因为调用函数会使任务栈结构与系统任务切换时堆栈标准结构不一致),保存当 前任务SP,载入就绪最高优先级任务的SP,恢复就绪最高优先级任务的环境变量,中断返回. 这样就完成了中断级任务切换. OSTickISR()系统时钟节拍中断服务函数,这是一个周期性中断,为内核提供时钟节拍.频率 越高系统负荷越重.其周期的大小决定了内核所能给应用系统提供的最小时间间隔服务.一 般只限于ms级(跟MCU有关),对于要求更加苛刻的任务需要用户自己建立中断来解决.该函数 具体内容:保存寄存器(如果硬件自动完成就可以省略),调用OSIntEnter(),调用OSTimeTic k(),调用OSIntExit(),恢复寄存器,中断返回. 3) OS_CPU_C.C UC/OS*定义了6个函数在该文件中.但是最重要的是OSTaskStkInit().其他都是对系统内 核的扩展时用的. OSTaskStkInit()是在用户建立任务时系统内部自己调用的,对用户任务的堆栈进行初始化 .使建立好的进入就绪态任务的堆栈与系统发生中断并且将环境变量保存完毕时的栈结构一 致.这样就可以用中断返回指令使就绪的任务运行起来. 具体的入栈方式要根据不同mcu而定.需要参考用户使用的mcu说明书.同时还要考虑mcu的栈 生成方式.这需要根据具体问题来分析,在此不做过多论述. l 与应用相关的代码 这一部分是用户根据自己的应用系统来定制合适的内核服务功能.包括两个文件:OS_CFG.H , INCLUDES.H. OS_CFG.H来配置内核,用户根据需要对内核进行定制,留下需要的部分,去掉不需要的部分, 设置系统的基本情况.比如系统可提供的最大任务数量,是否定制邮箱服务,是否需要系统提 供任务挂起功能,是否提供任务优先级动态改变功能等等. INCLUDES.H系统头文件,整个实时系统程序所需要的文件,包括了内核和用户的头文件. l 用户应用系统 这是整个实时系统的最高层,用户通过利用实时操作系统提供的服务来开发自己的具体程序 . 二. 用户应用系统编写的模式 kernel提供给用户一些功能函数,使得用户的系统建立更加方便,但是kernel内部不会处理 用户的工作,对于整个系统的具体应用工作还得需要用户自己去考虑,如何利用好这些功能 服务函数就成为一个比较重要的问题. 1. main函数的结构 void main (void) { 初始化系统的硬件; OSInit(); 任务的建立,消息机制的建立; OSStart(); } 这里需要的是在OSStart()执行之前不得启动中断,硬件系统还不能工作.必须先让软件系统 进入工作状态后才行. 2. 中断的结构 ISR: { 保存处理器寄存器的值; 调用OSIntEnter(); 执行用户的工作; 调用OSIntExit(); 恢复处理器寄存器的值; RTI; } 用户的中断形式和以前一样,没有什么大的变化,仅仅是在原来用户ISR的基础上在固定的位 置加了两个函数:OSIntEnter(), OSIntExit(). 3. 各个任务的结构 void YourTask (void) { for(;;) { 用户代码 调用的系统服务 } } 在任务启动函数执行完后,系统会切换到最高优先级的任务去执行,此时,可以将系统硬件部 分的启动放在该任务的最前边,仅仅是启动时执行一次,主要是启动系统的节拍中断,或者一 些必须在多任务系统调度后才能初始化的部分,使系统的真正开始工作,达到软件硬件的基 本同步. Void HighestPrioTask(void) { OSStartHardware(); For (;;) { 用户代码 调用的系统服务 } } 用户可以按照这些格式去编写自己的任务,建立自己的应用系统. uc/os-II在ARM7上的移植代码(含详细注释) 本人现在正在看有关UCoseII的操作系统的内容，这篇文章主要介绍了在S3C44B0上移植的关键代码，含有详细注解，感觉还蛮不错，详细会对大家有所帮助！ 1 RTOS简介 随着电子产品和设备的应用的复杂化和智能化，原来在电子产品中占统治地位的单片机和较简单的程序结构已经难以满足要求。加之微处理器芯片本身性能的大幅提高，对软件的要求也随之提高，而实时操作系统（Real Time Operation System，以下简称为RTOS）很好满足了这些需求。 RTOS以其较好的实时性、较少的硬件资源以及强大的任务管理、资源管理等功能，在嵌入式产品的应用领域日趋广阔。RTOS同时体现了一种新的系统设计思想和开放的软件开发框架，开发者在无需过多考虑和更改系统其他任务的情况下可以集中精力设计应用任务模块，缩短了研发周期和对单个开发者的依赖。因此RTOS的应用是嵌入式软件设计编写中从小规模设计到团队开发的一个必然选择。 μC/OS-II(MicroC/OS-II)是一个可以基于ROM运行的、源码开放的、可裁减的、抢占式实时多任务内核， 内核的设计者在编写时尽最大限度采用ANSI C语言，并充分考虑了可移植性，因此，μC/OS-II已经移植到数十种处理器上，且已成功应用于从消费电子产品到航空设备的领域中。 2 ARM7系列处理器简介 依靠ARM公司提供的优秀的ARM7 内核，其合作伙伴根据市场需要和技术发展趋势生产出各具特色的芯片。ARM7 系列处理器可具有16位/32位双RISC指令集、片内高速cache、三级流水线、片上JTAG调试、高速内存管理（MMU）等功能，支持大多数操作系统，在中低端16/32位嵌入式产品解决方案中应用十分广泛。比较有代表性的S3C44B0x是三星公司开发的基于ARM7 内核的32位微处理器，除了具备ARM7系列处理器的低功耗，高性能，小体积等优点外，且价格低廉。 ARM7系列处理器结构支持7种处理模式，方便用户管理某些需要保护的硬件资源，处理器模式见表1。除用户模式外，其他模式均可自由的访问系统所有资源并改变处理器工作模式，称为特权模式，而特权模式中除系统模式(sys)外，也被称为异常模式。在用户模式下，用户任务可以通过软中断指令，进入异常模式，来访问需要的资源。μC/OS-Ⅱ移植与ARM7 处理器上时，一个难点就在于处理器模式切换时对另一工作模式下现场的保存和恢复，本文分析了任务切换时不使用软中断而直接在svc模式下运行操作系统和用户任务的移植方法，可以较简洁易懂地实现。 表1 ARM7 处理器模式 处理器模式 说明 用户 usr 正常用户程序执行模式 快速中断 fiq 高速数据传送及DMA通道处理模式 通用中断irq 通用中断处理模式 管理 svc 操作系统保护模式 中止abt 存储器保护或实现虚拟存储器 未定义und 支持硬件协处理器的软件仿真 系统 sys 供需访问系统资源的任务使用 3 μC/OS-Ⅱ在ARM7处理器上的移植 3.1 移植的要求 要使μC/OS-Ⅱ正常运行于某处理器上，须满足以下要求： 1）处理器的C编译器能产生可重入代码； 2）可以在C语言代码中打开和关闭中断； 3）处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)； 4）处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈； 5）处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。 笔者针对目前应用较广泛的基于ARM7内核的S3C44B0x处理器，在ARM公司的IDE开发环境ADS1.2中完成了μC/OS-Ⅱ的移植，并编写了应用任务实现多任务的调度。 3.2 移植过程 基于μC/OS-Ⅱ的硬/软件体系结构如下图1。 图1 μC/OS-Ⅱ硬件/软件体系结构 μC/OS-Ⅱ的移植集中在OS_CPU.h,OS_CPU_A.s,OS_CPU.c这三个文件上，下面分别详细介绍三个文件中的函数和需要修改或者编写的代码。 3.2.1 OS_CPU.h的移植 该文件定义了和处理器及编译器相关的定义及一些全