uC/OS II在S3C2410上的移植

　　隨著(zhù)信息化技術(shù)的發(fā)展和數字化產(chǎn)品的普及，以計算機技術(shù)、芯片技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的嵌入式系統再度成為當前研究和應用的熱點(diǎn)。對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)的應用程序等四個(gè)部分組成，其中嵌入式微處理器和嵌入式操作系統分別是其硬件和軟件的核心。

　　ARM處理器由于其具有小體積、低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)，廣泛應用在16/32位嵌入式RISC解決方案中，幾乎占有嵌入式微處理器市場(chǎng)分額的75% ，本文選定三星公司生產(chǎn)的一款基于A(yíng)RM920T核的高性能低功耗SOC芯片S3C2410作為移植方案的硬件平臺。市場(chǎng)上主流的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統有Vxworks、pSos、WinCE、Linux等，基于實(shí)時(shí)性、成本以及開(kāi)發(fā)難度方面的考慮，我們選擇uC/OS II――開(kāi)放源代碼的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

　　1 uC/OS II介紹

　　uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一個(gè)可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式(見(jiàn)圖1)實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業(yè)操作系統性能相當的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。為了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP)。

　　uC/OS II可以簡(jiǎn)單的視為一個(gè)多任務(wù)調度器，在這個(gè)任務(wù)調度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統相關(guān)的系統服務(wù)，如信號量、郵箱等。其主要特點(diǎn)有公開(kāi)源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。從1992年開(kāi)始，由于高度可靠性、魯棒性和安全性，uC/OS II已經(jīng)廣泛使用在從照相機到航空電子產(chǎn)品的各種應用中。

　　2 uC/OS II在S3C2410上的可移植性

　　所謂移植，就是使這個(gè)實(shí)時(shí)內核能在某個(gè)微處理器上運行。為了方便移植，大部分的uC/OS II代碼是用c語(yǔ)言寫(xiě)的，但仍需要用c和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因為uC/OS II在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。由于uC/OS II在設計時(shí)就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以uC/OS II的移植相對來(lái)說(shuō)是比較容易的。uC/OS II的框架結構如圖2。

　　uC/OSII的正常運行需要處理器平臺滿(mǎn)足以下要求：

　　a)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。

　　b)用C語(yǔ)言就可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷。

　　c)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10至100Hz之間)。

　　d)處理器支持能夠容納一定量數據(可能是幾千字節)的硬件堆棧。

　　e)處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。

　　S3C2410處理器采用ARM920T內核，內部共有37個(gè)寄存器，其中R13通常用作堆棧指針，只要系統RAM空間允許，堆?？臻g理論上沒(méi)有限制。ARM處理器提供ARM指令和Thumb指令兩種指令集，每種指令集都包含有豐富的指令對堆棧進(jìn)行操作，可以隨意的對處理器中的寄存器進(jìn)行堆棧操作。根據堆棧生長(cháng)方向的不同，可以生成4種不同的堆棧，分別是滿(mǎn)遞增、空遞增、滿(mǎn)遞減(此移植中使用的是滿(mǎn)遞減方式)、空遞減。芯片內集成5個(gè)定時(shí)時(shí)鐘，任何一個(gè)都可以產(chǎn)生定時(shí)中斷，滿(mǎn)足第三條要求。ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的內置編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，并且支持內嵌匯編，C環(huán)境中可任意的進(jìn)行開(kāi)關(guān)中斷操作。綜上所述uC/OS II完全可以移植到S3C2410上運行。

　　3 主體移植過(guò)程

　　3.1 設置與處理器及編譯器相關(guān)的代碼[OS_CPU.H]

　　不同的編譯器會(huì )使用不同的字節長(cháng)度來(lái)表示同一數據類(lèi)型，所以要定義一系列數據類(lèi)型以確保移植的正確性。下面是uC/OS II定義的一部分數據類(lèi)型。

　　typedef unsigned char BOOLEAN;

　　typedef unsigned char INT8U;/*無(wú)符號8位*/

　　typedef signed char INT16S;/*帶符號8位*/

　　typedef unsigned int INT16U;/*無(wú)符號16位*/

　　typedef signed int INT16S;/*帶符號16位*/

　　typedef unsigned long INT32U;/*無(wú)符號32位數*/

　　typedef signed long INT32S;/*帶符號32位數*/

　　typedef float FP32;/*單精度浮點(diǎn)數*/

　　typedef double FP64;/*雙精度浮點(diǎn)數*/

　　typedef unsigned int OS_STK;/*堆棧入口寬度*/

　　typedef unsigned int OS_CPU_SR;/*寄存器寬度*/

　　uC/OS II需要先關(guān)中斷再訪(fǎng)問(wèn)臨界區的代碼，并且在訪(fǎng)問(wèn)完后重新允許中斷。uC/OS II定義了兩個(gè)宏來(lái)禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，本移植實(shí)現這兩個(gè)宏的匯編代碼。

　　#define OS_ENTER_CRITICAL()(cpu_sr=OSCPUSaveSR())/*Disable interrupts*/

　　#define OS_EXIT_CRITICAL()(OSCPURestoreSR(cpu_sr))/*Enable interrupts*/

　　EXPORT OSCPUSaveSR

　　OSCPUSaveSR

　　mrs r1,cpsr

　　mov r0,r1

　　orr r1,r1,#0xc0

　　msr cpsr_cxsf,r1

　　mov pc,lr

　　EXPORT OSCPURestoreSR

　　OSCPURestoreSR

　　msr cpsr_cxsf,r0

　　mov pc,lr

　　3.2 用C語(yǔ)言實(shí)現與處理器任務(wù)相關(guān)的函數[OS_CPU_C.C]

　　OSTaskStkInit()

　　OSTaskCreateHook()

　　OSTaskDelHook()

　　OSTaskSwHook()

　　OSTaskStatHook()

　　OSTimeTickHook()

　　實(shí)際需要修改的只有OSTaskStkInit()函數，其他五個(gè)函數需要聲明，但不一定有實(shí)際內容。這五個(gè)函數都是用戶(hù)定義的，所以OS_CPU_C.C中沒(méi)有給出代碼。如果需要使用這些函數，可以將文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設為1，設為0表示不使用這些函數。

　　OSTaskStkInit()函數由OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，需要傳遞的參數是任務(wù)代碼的起始地址、參數指針(pdata)、任務(wù)堆棧頂端的地址和任務(wù)的優(yōu)先級，用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧，初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結構。堆棧初始化工作結束后，OSTaskStkInit()返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將指針保存在任務(wù)的OS_TCB中。調用OSTaskStkInit()給任務(wù)做一個(gè)初始的任務(wù)上下文堆棧，形狀如圖3。

　　3.3 處理器相關(guān)部分匯編實(shí)現

　　整個(gè)uC/OS II移植實(shí)現中，只需要提供一個(gè)匯編語(yǔ)言文件，提供幾個(gè)必須由匯編才能實(shí)現的函數。

　　a)OSStartHighRdy()

　　該函數在OSStart()多任務(wù)啟動(dòng)之后，負責從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針sp，通過(guò)sp依次將CPU現場(chǎng)恢復，此時(shí)系統就將控制權交給用戶(hù)創(chuàng )建的該任務(wù)的進(jìn)程，直到該任務(wù)被阻塞或者被其他更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占了CPU。該函數僅僅在多任務(wù)啟動(dòng)時(shí)被執行一次，用來(lái)啟動(dòng)第一個(gè)，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)執行。

　　b)OSCtxSw()

　　該函數是任務(wù)級的上下文切換函數，在任務(wù)因為被阻塞而主動(dòng)請求與CPU調度時(shí)執行，主要工作是先將當前任務(wù)的CPU現場(chǎng)保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務(wù)的CPU現場(chǎng)，使之繼續執行，從而完成一次任務(wù)切換。

　　C)OSIntExit()

　　該函數是中斷級的任務(wù)切換函數，在時(shí)鐘中斷ISR中發(fā)現有高優(yōu)先級任務(wù)在等待時(shí)，需要在中斷退出后不返回被中斷的任務(wù)，而是直接調度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)執行。其目的在于能夠盡快讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應，保證系統的實(shí)時(shí)性能。

　　d)OSTickISR()

　　該函數是時(shí)鐘中斷處理函數，主要任務(wù)是負責處理時(shí)鐘中斷，調用系統實(shí)現的OSTimeTick函數，如果有等待時(shí)鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù)，則需要在中斷級別上調度其執行。另外兩個(gè)相關(guān)函數是OSIntEnter()和OSIntExit()，都需要在ISR中執行。

　　4 測試

　　至此代碼移植過(guò)程已經(jīng)完成，下一步工作就是測試。測試一個(gè)象uC/OS II一樣的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核并不復雜，甚至可以在沒(méi)有應用程序的情況下測試。換句話(huà)說(shuō)，就是讓這個(gè)實(shí)時(shí)內核在目標板上跑起來(lái)，讓內核自己測試自己。這樣做有兩個(gè)好處：第一，避免使本來(lái)就復雜的事情更加復雜;第二，如果出現問(wèn)題，可以知道問(wèn)題出在內核代碼上而不是應用程序。剛開(kāi)始的時(shí)候可以運行一些簡(jiǎn)單的任務(wù)和時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)例程。一旦多任務(wù)調度成功地運行了，再添加應用程序的任務(wù)就是非常簡(jiǎn)單的工作了。

　　5 結束語(yǔ)

　　采用基于A(yíng)RM9的S3C2410嵌入式微處理器，可以使系統具備高性能的運算能力的同時(shí)便于與各種外設連接擴展，簡(jiǎn)化了硬件設計，維持小型化的同時(shí)降低了系統成本。uC/OS II作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的操作系統，在具體應用中穩定可靠，并且支持uIP TCP/IP協(xié)議棧、ucGUI等，可擴展性強，功能強大。本系統采ARM9+uC/OS II開(kāi)發(fā)設計，具有精度高、運行穩定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，可以在各種工業(yè)場(chǎng)合中廣泛應用，達到了設計的初衷。