μCOS-II在A(yíng)Tmega128單片機上的移植和開(kāi)發(fā)

引 言

本文介紹μC/OS-Ⅱ移植到ATMEL公司的8位微控制器ATmega128上的過(guò)程。所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內核可以在某個(gè)微處理器上運行，并在此基礎上進(jìn)行驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，使之成為一個(gè)實(shí)用的嵌入式系統。嵌入式系統包括了硬件和軟件兩部分，由于系統硬件資源的限制和實(shí)際應用的要求，應用系統對軟件的基本要求是體積小，執行速度快，具有較好的裁減性和可移植性。嵌入式系統的軟件一般由嵌入式操作系統和應用軟件組成，通過(guò)在操作系統之上開(kāi)發(fā)應用軟件，可以屏蔽掉很多底層硬件細節，使得應用程序調試方便，移植簡(jiǎn)單，易維護，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期也短。多數實(shí)時(shí)操作系統為用戶(hù)提供一些標準的API函數，程序開(kāi)發(fā)人員可以利用這些API函數進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)。但是現在商用型的實(shí)時(shí)操作系統價(jià)格非常昂貴，而免費型的實(shí)時(shí)操作系統μCOS-II作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內核已經(jīng)有了10余年使用實(shí)踐，許多行業(yè)都有成功應用該內核的實(shí)例。但由于μCOS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)內核，它沒(méi)有像商用型實(shí)時(shí)操作系統那樣提供API函數接口，有很多工作需要用戶(hù)去完成，還需要根據實(shí)際應用需要進(jìn)行功能擴展，包括底層的硬件驅動(dòng)、文件系統、用戶(hù)圖形接口等程序的編寫(xiě)。

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統簡(jiǎn)介

μC/OS- II是著(zhù)名的、源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內核，可用于各類(lèi)8位、16 位、32位單片機或DSP。μC/OS-II是一個(gè)完整、可移植、可固化、可裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核。它用ANSIC語(yǔ)言編寫(xiě)，包含小部分與硬件有關(guān)的匯編代碼，使之便于移植，可以在不同架構的微處理器上使用。到目前為止，該內核已有10多年的應用史，在醫療、網(wǎng)絡(luò )、通信等許多領(lǐng)域得到了廣泛應用。 μC/OS-II內核可以分為幾個(gè)獨立的部分，分別是任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信、內存管理幾個(gè)獨立的部分，他的許多功能都是可配置的，這樣可以根據應用的需要對操作系統進(jìn)行裁減。μC/OS-II是占先式實(shí)時(shí)內核，他總是運行在就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)，μC/OS-II總共可以管理64個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，每個(gè)任務(wù)都有自己獨立的堆棧，可以壓低用戶(hù)程序對內存的需求。全部μC/OS-II的函數調用與服務(wù)執行時(shí)間具有可確定性，它的系統服務(wù)的執行時(shí)間不依賴(lài)于應用程序任務(wù)的多少。μC/OS-II中的任務(wù)可以是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，也可以在執行完一次后被刪除掉，任務(wù)在休眠、就緒、運行、等待和掛起等幾個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉換。μC/OS-II要求用戶(hù)提供定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現延時(shí)和超時(shí)控制等功能，這個(gè)定時(shí)中斷稱(chēng)為時(shí)鐘節拍，他的實(shí)際頻率由用戶(hù)的應用程序決定，一般為10～100Hz 。節拍頻率越高，系統的負荷越重。μC/OS-II中有三種用于數據共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱和消息隊列。一個(gè)任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序可以通過(guò)事件控制塊向另外的任務(wù)發(fā)信號；一個(gè)任務(wù)可以等待另一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號；或者是多個(gè)任務(wù)等待同一個(gè)信號的發(fā)生，在這種情況下，優(yōu)先級最高的任務(wù)將得到這一信號并進(jìn)入就緒狀態(tài)準備執行。

ATmega128微處理器的硬件特點(diǎn)

ATmega128 的MCU包括一個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU） ，一個(gè)狀態(tài)寄存器（SREG） ，一個(gè)通用工作寄存器組和一個(gè)堆棧指針。狀態(tài)寄存器（SREG） 的最高位I是全局中斷允許位。如果全局中斷允許位為零，則所有中斷都被禁止。當系統響應一個(gè)中斷后，I位將由硬件自動(dòng)清“0”；當執行中斷返回 （RETI） 指令時(shí)，I位由硬件自動(dòng)置“1”，從而允許系統再次響應下一個(gè)中斷請求。通用工作寄存器組是由32個(gè)8位的通用工作寄存器組成。其中R26～R31這6 個(gè)寄存器還可以?xún)蓛珊喜? 個(gè)16位的間接地址寄存器，這些寄存器可以用來(lái)對數據存儲空間和程序存儲空間進(jìn)行間接尋址的寄存器。堆棧指針（SP） 是一個(gè)指示堆棧頂部地址的16 位寄存器。ATmega128單片機的硬件堆棧的生長(cháng)方向是向下的（從高地址向低地址生長(cháng)） ，所以軟件堆棧在定義的時(shí)候，也要采取相同的生長(cháng)方向。ATmega128單片機的數據存儲器是線(xiàn)形的，從低地址到高地址依次是CPU寄存器區（32個(gè)通用寄存器） ，I/O寄存器區，數據存儲區。

ATmega128的中斷響應機制

ATmega128 有34個(gè)不同的中斷源，每個(gè)中斷源和系統復位在程序存儲空間都有一個(gè)獨立的中斷向量（中斷入口地址） 。每個(gè)中斷源都有各自獨立的中斷允許控制位，當某個(gè)中斷源的中斷允許控制位為“1”且全局中斷允許位I也為“1”時(shí)，系統才響應該中斷。當系統響應一個(gè)中斷請求后，會(huì )自動(dòng)將全局中斷允許位I清零，此時(shí)，后續中斷響應被屏蔽。當系統執行中斷返回指令RETI時(shí)，會(huì )將全局中斷允許位I置“1”，以允許響應下一個(gè)中斷。若用戶(hù)想實(shí)現中斷嵌套，必須在中斷服務(wù)子程序中將全局中斷允許位I置“1”。在中斷向量表中，處于低地址的中斷具有高的優(yōu)先級。優(yōu)先級高只是表明在多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的時(shí)候，系統先響應優(yōu)先級高的中斷，并不含有高優(yōu)先級的中斷能打斷低優(yōu)先級的中斷處理工作的意思。由于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)切換實(shí)際上是模擬一次中斷，因此需要知道CPU的中斷響應機制。中斷發(fā)生時(shí)，ATmega128按以下步驟順序執行：

（1） 全局中斷允許位I清零。

（2） 將指向下一條指令的PC值壓入堆棧，同時(shí)堆棧指針SP減2。

（3） 選擇最高優(yōu)先級的中斷向量裝入PC，程序從此地址繼續執行中斷處理。

（4） 當執行中斷處理時(shí)，中斷源的中斷允許控制位清零。中斷結束后，執行RETI指令，此時(shí)：

①全局中斷允許位I置“1”。

② PC從堆棧推出，程序從被中斷的地方繼續執行。特別要注意的是：ATmega128A單片機在響應中斷及從中斷返回時(shí)，并不會(huì )對狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器自動(dòng)進(jìn)行保存和恢復操作，因此，對狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器的中斷保護工作必須由用戶(hù)來(lái)完成。

ATmega128的定時(shí)器中斷

ATmega128 有三個(gè)定時(shí)器：T0，T1，T2，可以為μCOS-II提供精確的時(shí)鐘源。ATmega128的三個(gè)定時(shí)器都有計數溢出中斷功能，而且T1和T2還有匹配比較中斷，即定時(shí)器計數到設定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷并自動(dòng)清零。若系統采用這種中斷方式，其好處是在中斷服務(wù)程序ISR中不需要重新裝載定時(shí)器的值。

將μCOS-II移植到ATmega128單片機上

移植就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內核能在A(yíng)Tmega128上運行。μCOS-II大部分的代碼是用ANSIC編寫(xiě)的，因此移植性很好。但是對不同的微處理器，仍然需要使用C和匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)其中與處理器相關(guān)的代碼，寄存器的讀、寫(xiě)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言的存儲和加載指令來(lái)實(shí)現。要使μCOS-II能夠正常工作，處理器必須滿(mǎn)足以下要求：

①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；可重入代碼是指可以被一個(gè)以上的任務(wù)調用，而不必擔心其數據會(huì )被破壞的代碼?？芍厝氪a任何時(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間以后又可以重新運行，而相應的數據不會(huì )丟失，不可重入代碼則不行。本文所使用ImageCrafT公司的ICCAVRV6. 30編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；

②用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷，本文所使用的ICCAVRV6. 30編譯器支持在C語(yǔ)言中內嵌匯編語(yǔ)句且提供專(zhuān)門(mén)開(kāi)關(guān)中斷的宏：CLI（） 和SEI（） 。這樣，使得在C語(yǔ)言中開(kāi)關(guān)中斷非常方便；

③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10-100Hz 之間） ，ATmega128，有3 個(gè)定時(shí)器，能產(chǎn)生μC/OS-Ⅱ所需的定時(shí)中斷；

④ 處理器能夠支持容納一定數量的硬件堆棧，ATmega128有4KRAM，硬件堆?？梢蚤_(kāi)辟在這4KRAM中；

⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀取和存儲到堆?；騼却娴闹噶?，一般的單片機都滿(mǎn)足這個(gè)要求（如PUSH、POP指令） ，且ATmega128還具有直接訪(fǎng)問(wèn)I/O寄存器的指令（ IN、OUT等） 。

移植的實(shí)現μC/OS-Ⅱ的移植工作包括以下幾個(gè)內容：

（1） 用Typedef聲明與編譯器相關(guān)的數據類(lèi)型（在OS-CPU. H文件中） ，由于不同的微處理器有不同的字長(cháng)，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用C語(yǔ)言的shORT、inT、lOng 等數據類(lèi)型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀(guān)又可移植的數據類(lèi)型來(lái)代換相應數據類(lèi)型。

（2） 用# definE設置一個(gè)常量OS-STK-GROWTH的值（OS-CPU. H） ，決定堆棧的生長(cháng)方向，置0表示堆棧從下往上生長(cháng)，置1表示堆棧從上往下生長(cháng)。

（3） # definE聲明三個(gè)宏（OS-CPU. H） 。即進(jìn)入臨界代碼段（criTicaLcOdEsecTiOn） 的方法OS-CRITICAL-METHOD定義為3 ，在宏OS-ENTER-CRITICAL（） 中得到當前處理器狀態(tài)字的值，并將其保存在C函數的局部變量中，這個(gè)變量在宏OS-EXIT-CRITICAL（ ） 中用于恢復PSW。宏OS-TASK-SW（） 是在內核從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)用到的，它總是在任務(wù)級代碼中被調用。在A(yíng)TMEGA128上移植，直接調用OSCTxSw （） 任務(wù)切換函數就可以了。

（4） 用C語(yǔ)言編寫(xiě)十個(gè)簡(jiǎn)單的函數（OS-CPU-C. C） ，OS2TAskSTKIniT（） ;OSIniTHoOkBegiN（） ;OSIniTHoOKEnd （） ; OSTAskCreaTeHoOK（ ） ；OSTAskDelHoOK（ ） ；OSTAskSw HoOK（）；OSTAskSTaTHoOK（） ；OSTimETickHoOk （） ；OSTCB IniTHoOK（） ；OSTAsKIdleHoOK（） ；實(shí)際需要修改的只有OSTAskSTKIniT（） 函數，其它九個(gè)函數都是由用戶(hù)定義的。如果用戶(hù)需要使用這九個(gè)函數，可將文件OS-CFG. H中的# definEcOnsTAnTOS-CPU-HOOKS-EN設為1，設為0表示不使用這些函數。函數OSTAskSTKIniT（ ） 是由OSTAskCreaTE（） 或OSTAskCreaTEExT（） 調用，用來(lái)初始化任務(wù)堆棧的。經(jīng)初始化后的任務(wù)堆棧應該跟發(fā)生過(guò)一次中斷后任務(wù)的堆棧結構一樣。由前敘述可知，ATmega128在發(fā)生中斷后，自動(dòng)保存了程序計數器PC。為了保存全部現場(chǎng)，還需要保存狀態(tài)寄存器SREG ，R0～R31這32個(gè)通用寄存器及SP的值。

（5） 編寫(xiě)四個(gè)匯編語(yǔ)言函數（OS-CPU-A. S） ，OSSTARTHighRdy （） 使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開(kāi)始運行；OSCTxSw （） 完成將處理器的寄存器保存到堆棧中的任務(wù)后，將任務(wù)指針指向要恢復運行的任務(wù)，復制新任務(wù)的優(yōu)先級，得到新任務(wù)的堆棧指針，恢復將運行任務(wù)的寄存器；OSIntC2TxSw （） 完成在ISR中執行任務(wù)的切換；OSTicKISR（） 提供系統時(shí)鐘節拍服務(wù)；這些函數涉及到出棧和入棧操作，因此需要用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。做完以上工作，就是測試內核的移植是否正確。測試一個(gè)實(shí)時(shí)內核，可以運行一些簡(jiǎn)單的任務(wù)和時(shí)鐘節拍中斷任務(wù)，一旦調試成功就可以在上面擴展功能。

硬件驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

μCOS-II移植完成以后，就要在實(shí)時(shí)內核之上編寫(xiě)外設驅動(dòng)程序。外設驅動(dòng)程序可以提供訪(fǎng)問(wèn)外圍設備的接口，把操作系統和外圍設備硬件分離開(kāi)來(lái)，當外設改變時(shí)，只需修改設備驅動(dòng)程序，不影響操作系統內核。外設驅動(dòng)程序主要完成以下功能：

（1） 對設備初始化和釋放；

（2） 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據；

（3） 讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據；

（4） 檢測和處理設備出現的錯誤。對于擴展相應的API函數，不同的應用有不同的要求，可以根據硬件結構和實(shí)際應用，編寫(xiě)操作系統的API函數?；?mu;COS- II進(jìn)行擴展的RTOS的總體結構。在內核上開(kāi)發(fā)應用，在把內核移植到自己的硬件目標板上后，在實(shí)時(shí)內核的基礎上寫(xiě)出相應的驅動(dòng)程序、內存操作等API函數，建立實(shí)時(shí)操作系統，最后利用這些API函數編寫(xiě)用戶(hù)自己的應用程序，就構成了嵌入式系統軟件。而應用程序處于整個(gè)系統的頂層，根據具體應用要求，其功能有多個(gè)任務(wù)完成，每個(gè)任務(wù)可以調用API函數，也可以調用與處理器無(wú)關(guān)的代碼提供的系統服務(wù)。

總 結

采用μCOS-II內核開(kāi)發(fā)的RTOS具有良好的實(shí)時(shí)性，可裁剪性，應用它可以使產(chǎn)品更可靠，功能更強大，開(kāi)發(fā)周期更短。該系統目前已在我院開(kāi)發(fā)的護理用體態(tài)語(yǔ)言機上成功應用。