嵌入式系統µC/OS-II在LPC2119上的移植方法和技巧
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摘要：本文在分析實(shí)時(shí)嵌入式系統mC/OS-II和LPC2119芯片的基礎上，對mC/OS-II向處理器上移植前需要了解的知識和需要做的前期準備工作進(jìn)行了分析和討論，最后給出了移植的具體工作。論文著(zhù)重分析了mC/OS-II的移植。
µC/OS-II是一個(gè)完整的，可移植、可固化、可裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，它功能強大，支持56個(gè)用戶(hù)任務(wù)，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程間通信機制。公開(kāi)源代碼，程序可讀性強、移植性好，同時(shí)可免費獲得。
LPC2119是由PHILIPS生產(chǎn)的一款32位ARM7TDMI-S微處理器，其核心為高性能的32位RISC體系結構，并具有高密度的16位指令集和極低的功耗。具有零等待128K字節的片內FLASH，16K的SRAM，無(wú)需擴展存儲器，使系統更為簡(jiǎn)單、可靠。
表1
本文主要討論µC/OS-II在LPC2119上的移植，同時(shí)對移植前需要掌握的基本知識進(jìn)行了分析，特別是對與移植密切相關(guān)的三個(gè)文件進(jìn)行了詳細分析，還對用到的芯片的重映射概念進(jìn)行了詳細說(shuō)明。
LPC2119簡(jiǎn)介
LPC2119片上資源除了上面介紹的存儲器外，還有2個(gè)UART、高速I(mǎi)2C接口、2個(gè)SPI接口、6路輸出的PWM單元、4路10位AD轉換器、2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)CAN通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門(mén)狗等，通過(guò)片內PLL可實(shí)現最大為60MHz的CPU操作頻率。
由于下文啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)要用到重映射(remap)的概念，LPC2119以及其它系列的芯片如AT91等也都有重映射的功能，所以在此加以說(shuō)明對其它ARM芯片的學(xué)習具有借鑒作用。
在A(yíng)RM芯片的存儲器中，異常向量表如表1所示。
當系統上電后，程序將自動(dòng)從0地址處開(kāi)始執行，因此在系統的初始狀態(tài)，要求0地址處的存儲器是非易性的ROM或Flash等。但是ROM或Flash的訪(fǎng)問(wèn)速度相對較慢，每次中斷發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上的向量表開(kāi)始，影響了中斷響應速度。因此，LPC2119提供一種靈活的地址重映射方法，該方法可以將內部RAM的地址重新映射到0x0的位置。在系統執行重映射命令之前，需要將Flash中的中斷向量代碼拷貝到內部RAM中。這樣在重映射命令執行之后相當于從內部RAM中0x0的位置找到中斷向量，而實(shí)際上是將RAM的起始地址0x40000000映射為0x0了。這樣，中斷執行時(shí)相當于在RAM中找到對應中斷向量，實(shí)現異常處理調試。
µC/OS-II的介紹
µC/OS-II實(shí)際上是一個(gè)嵌入式操作系統內核，內核提供的基本服務(wù)就是任務(wù)切換。在µC/OS-II中，為每個(gè)任務(wù)分配專(zhuān)門(mén)的堆?？臻g。µC/OS-II進(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)候，會(huì )把當前任務(wù)的CPU寄存器放到此任務(wù)的堆棧中，然后再從另一個(gè)任務(wù)的堆棧中恢復原來(lái)的工作寄存器，繼續運行另一個(gè)任務(wù)。所以，寄存器的入棧和出棧是µC/OS-II多任務(wù)調度的基礎。
圖1 µC/OS-II硬件和軟件體系結構
µC/OS-II的結構如圖1所示。
如圖1所示，與處理器相關(guān)的代碼只有三個(gè)文件，一般移植的時(shí)候只要修改這三個(gè)文件就可以了。{{分頁(yè)}}
編寫(xiě)啟動(dòng)代碼
啟動(dòng)代碼是芯片復位后進(jìn)入C語(yǔ)言的main()函數前執行的一段代碼，主要是為運行C語(yǔ)言程序提供基本運行環(huán)境，如初始化外圍部件、存儲器系統等。因此啟動(dòng)代碼的功能有些類(lèi)似PC機中的BIOS和VxWorks中的Bootloader。由于飛利浦未提供該芯片的啟動(dòng)代碼，所以需要自己編寫(xiě)啟動(dòng)代碼。
啟動(dòng)代碼可以劃分為五個(gè)文件：Startup.s、IRQ.s、stack.s、heap.s和target.c。Startup.s包含了前面提到的異常向量表和系統初始化代碼，一般無(wú)需改動(dòng)；IRQ.s包含中斷服務(wù)程序與C程序的接口代碼，可根據實(shí)際使用的中斷情況進(jìn)行少量修改；stack.s和heap.s保存C語(yǔ)言使用的堆和棧的開(kāi)始位置；target.c包含目標板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標板初始化程序，可根據程序的需要修改。
圖2 系統基本初始化Tar get Peset1 ni t()流程圖
由于啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)很長(cháng)，而本文只是想指出編寫(xiě)啟動(dòng)代碼是移植前必須做的準備工作并對其進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，因此在這里就不具體列出所有代碼(具體的啟動(dòng)代碼見(jiàn)參考文獻[1])，而給出一個(gè)很重要的目標板初始化程序中的函數TargetResetInit()的流程圖，從中可以看出在進(jìn)入main()函數前對系統進(jìn)行的基本初始化工作的具體步驟。
移植
有了上面的知識和編寫(xiě)啟動(dòng)代碼這項準備工作完成后，就可以進(jìn)入具體移植階段了。主要完成以下工作：
① 為了增強代碼的可移植性，所有C文件添加頭文件includes.h。
② 用戶(hù)程序添加config.h。
③ 在文件OS_CPU.H中需要添加或修改的主要代碼有：
定義不依賴(lài)于編譯器的數據類(lèi)型：
typedef unsigned char INT8U;
typedef unsigned short INT16U;
typedef unsigned int INT32U;
typedef INT32U OS_STK;
使用軟中斷SWI作底層接口：
__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void); /* 任務(wù)級任務(wù)切換函數 */
__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void); /* 運行優(yōu)先級最高的任務(wù) */
__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void); /*關(guān)中斷 */
__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void); /* 開(kāi)中斷 */
__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void); /* 任務(wù)切換到系統模式 */
__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void); /* 任務(wù)切換到用戶(hù)模式 */
#define OS_STK_GROWTH 1 /* 堆棧是從上往下長(cháng)的*/
定義工作模式：
#define USR32Mode 0x10 /* 用戶(hù)模式 */
#define SYS32Mode 0x1f /* 系統模式*/
#define NoInt 0x80
#ifndef USER_USING_MODE
#define USER_USING_MODE USR32Mode /* 任務(wù)缺省模式*/
#endif
定義開(kāi)關(guān)信號量： extern OS_STK OsEnterSum {{分頁(yè)}}
④ 在文件OS_CPU_C.C中需要添加或修改的代碼：
OS_ENTER_CRITICAL()代碼
__asm
{ MRS R0, SPSR
ORR R0, R0, #NoInt
MSR SPSR_c, R0
}
OsEnterSum++;
OS_EXIT_CRITICAL()代碼
if (--OsEnterSum == 0)
{ __asm
{ MRS R0, SPSR
BIC R0, R0, #NoInt
MSR SPSR_c, R0
}
}
編寫(xiě)任務(wù)堆棧的初始化代碼：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{ OS_STK *stk;
opt = opt; /* 'opt' 沒(méi)有使用。作用是避免編譯器警告 */
stk = ptos; /* 獲取堆棧指針*/
/* 建立任務(wù)環(huán)境，使用滿(mǎn)遞減堆棧 */
*stk = (OS_STK) task; /* pc */
*--stk = (OS_STK) task; /* lr */
*--stk = 0; /* r12 */
/*r11r2*/
*--stk = 0; /* r1 */
*--stk = (unsigned int) pdata; /* r0,第一個(gè)參數使用R0傳遞 */
*--stk = (USER_USING_MODE|0x00); /* spsr，允許 IRQ, FIQ 中斷 */
*--stk = 0; /* 關(guān)中斷計數器OsEnterSum; */
return (stk);
}
編寫(xiě)如void OSInitHookBegin ( )、void OSInitHookEnd ( )、void OSTaskCreateHook ( )、void OSTaskDelHook ( )等鉤子函數，用戶(hù)可根據需要自行添加代碼。
⑤ 在文件OS_CPU_A.S中需要添加或修改的代碼：
編寫(xiě)運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數OSStartHighRdy()調用的__OSStartHighRdy代碼
__OSStartHighRdy
MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)
LDR R4, =OSRunning
MOV R5, #1
STRB R5, [R4]
BL OSTaskSwHook
LDR R6, =OSTCBHighRdy
LDR R6, [R6]
B OSIntCtxSw_1
編寫(xiě)OSIntCtxSw代碼
由于篇幅所限，這里給出OSIntCtxSw函數原型，可由此編寫(xiě)代碼。源代碼詳見(jiàn)參考文獻[1]。
void OSIntCtxSw(void)
{
調用用戶(hù)定義的OSTaskSwHook()；
OSTCBCur=OSTCBHighRdy;
OSPrioCur=OSPrioHighRdy;
得到需要恢復的任務(wù)的堆棧指針；
堆棧指針=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
將所有處理器寄存器從新任務(wù)的堆棧中恢復出來(lái)；
執行中斷返回指令；
}
由于篇幅所限，以上給出了移植時(shí)需要修改的與處理器相關(guān)的三個(gè)文件中的主要代碼，當然更詳細的移植說(shuō)明可見(jiàn)參考文獻[1].為了驗證移植成功與否，你可以編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單用戶(hù)程序(例如通過(guò)串口通訊在PC界面顯示字符)與mC/OS-II一起編譯燒寫(xiě)進(jìn)芯片來(lái)檢驗，筆者已經(jīng)試驗成功。
需要避免的錯誤
用戶(hù)程序中的includes.h要修改為config.h，這是因為后者包含了前者和特定的頭文件以及配置項。
數據類(lèi)型的定義不能直接使用C中的short、int、long等，因為它們與處理器類(lèi)型有關(guān)，隱含著(zhù)不可移植性，所以在OS_CPU.H中定義移植性強的不依賴(lài)于編譯器的數據類(lèi)型。
必須定義堆棧的生長(cháng)方向，1表示堆棧從上往下長(cháng)，0表示堆棧從下往上長(cháng)，ARM處理器兩種方式都支持，但使用的ADS編譯器僅支持從上往下長(cháng)的方式，因此必須定義為1，否則將發(fā)生寄存器值入棧錯誤。
注意任務(wù)堆棧初始化函數中的stk指針定義成INT32U，這是因為我們的處理器是32位的，對堆棧操作也是4字節對齊的。如果處理器是16位的，且對堆棧訪(fǎng)問(wèn)也是2字節對齊的，就要將stk定義成INT16U，否則將會(huì )發(fā)生嚴重錯誤。
結語(yǔ)
µC/OS-II具有很好的可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性，很適合于工業(yè)控制、通信等對實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的領(lǐng)域。筆者采用廣州周立功公司的EASYARN2100試驗開(kāi)發(fā)板，已經(jīng)成功把µC/OS-II移植到該開(kāi)發(fā)板上。如果用戶(hù)對ARM處理器及相關(guān)底層硬件和µC/OS-II有一定了解，參照本文，對將µC/OS-II移植到LPC21xx系列ARM處理器上大有幫助?！?/P>
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