嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II在LPC2378上的移植及

O 引言

目前，市場(chǎng)以及院?？蒲杏们度胧较到y產(chǎn)品，如Vxworks，Linux和Windows CE等都已經(jīng)相當成熟，提供了有力的開(kāi)發(fā)和調試工具，但有些開(kāi)發(fā)成本昂貴，周期較長(cháng)，而μC/OS-Ⅱ是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)源代碼的公開(kāi)操作系統，內核精簡(jiǎn)，移植性較強，非常適合用于一些小型控制和實(shí)驗系統的開(kāi)發(fā)。

1 操作系統及CPU介紹

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，包含有任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步通信(信號量，郵箱，消息隊列)和內存管理等功能。絕大部分代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成，極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，便于移植。作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統，最多可以管理64個(gè)任務(wù)，并支持信號量、郵箱、消息隊列等多種進(jìn)程間的通信機制，同時(shí)用戶(hù)可以根據需求對內核中的功能模塊進(jìn)行裁剪。

LPC2378是一款基于A(yíng)RM7TDMI-S內核的嵌入式精簡(jiǎn)指令集微控制器，包含了1個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-SCPU，適用于為了各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應用。該體系機構支持用戶(hù)、軟中斷、中斷、管理、中止、未定義、系統等7種處理器模式，ARM7TDMI-S處理器內部有31個(gè)通用32位寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。LPC2378包含了1個(gè)10/100 EthernetMAC，USB 2.0全速接口，4個(gè)UART接口，2路CAN通道，1個(gè)SPI接口，2個(gè)同步串行端口(SSP)，3個(gè)I2C接口，1個(gè)I2S接口和 MiniBus(MiniBus僅用于LPC2378，它是8位數據/16位地址并行的總線(xiàn))。下面以μC/OS-Ⅱ在工業(yè)級芯片LPC2378上的移植為例，通過(guò)分析操作系統內核來(lái)介紹μC/OS-Ⅱ操作系統移植的一般方法和過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題的解決。

2 μC/OS-Ⅱ內核結構及工作原理

2.1 內核基本結構

圖1是接近μC/OS-Ⅱ的簡(jiǎn)單內核體系結構圖，內核保留給上層應用的接口有3個(gè)，分別是軟保護、ITC和DSR。由于μC/OS-Ⅱ操作系統內核是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，因此最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的使用權。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的任務(wù)開(kāi)始運行。

2.2 μC/OS-Ⅱ內核基本工作原理

多任務(wù)系統中，操作系統內核負責管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU，并且負責各任務(wù)之間的通信和協(xié)同，任務(wù)切換是內核提供的基本服務(wù)。μC/OS-Ⅱ多任務(wù)操作系統的基本工作原理如下：

(1)在使用μC/OS-Ⅱ的所有服務(wù)之前，必須調用初始化函數OSInit()，初始化所有的變量和數據結構，同時(shí)創(chuàng )建空閑任務(wù) OSTaskIdle()，并賦予最低的優(yōu)先級別和永遠的就緒態(tài)，同時(shí)完成任務(wù)控制塊(TCB)的初始化、TCB優(yōu)先級表的初始化、TCB鏈表的初始化和事件控制塊(ECB)鏈表的初始化。

(2)調用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()創(chuàng )建至少一個(gè)新任務(wù)，并給任務(wù)賦予一定的優(yōu)先級，而且它們有各自的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。

(3)調用OSSTART()函數，通過(guò)從任務(wù)就緒表中找出用戶(hù)建立的優(yōu)先級別最高的任務(wù)控制塊，然后開(kāi)始多任務(wù)調度。

3 μC/OS-Ⅱ在LPC2378上的移植過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題分析

現以L(fǎng)PC2378微控制器上的移植為例，分析μC/OS-Ⅱ操作系統移植的一般方法，所采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為ARM公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2。

3.1 移植代碼

(1)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型無(wú)關(guān)的代碼有μC/OS-Ⅱ.H，μC/OS- Ⅱ.C，OS_CORE.C，OS_TASK.C，OS_TIME.C，OS_SEM.C，OS_MBOX.- C，OS_MUTEX.C，OS_FLAG.C，也就是說(shuō)這些文件可以不用修改就直接添加。

(2)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型有關(guān)的代碼有OSCPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C，也就是說(shuō)用戶(hù)需要根據所選CPU的類(lèi)型將這些函數進(jìn)行修改后才能添加入內核。

3.2 OS_CPU.H文件的定義與修改

OS_CPU.H文件定義了與編譯器及CPU相關(guān)的數據類(lèi)型、堆棧的寬度和增長(cháng)方式以及開(kāi)關(guān)中斷的宏定義。由于微處理器和微控制器所支持的堆棧增長(cháng)方式不同，這里需要根據所選芯片LPC2378支持的類(lèi)型對宏OS_STK_GRWOTH進(jìn)行定義，由于A(yíng)RM7 TD-MI-S內核堆棧支持從上往下的生長(cháng)方式，所以應做如下定義：

#define OS_STK_GROWTH 1 //堆棧是從上往下長(cháng)的OS_CPU.H文件中另外3個(gè)宏 OS_CRITICAL_METHOD，OS_ENTER_CRITICAL()，OS_EXIT_CRITICAL()用于定義開(kāi)關(guān)中斷的方式及開(kāi)關(guān)中斷的實(shí)現。通過(guò)調用開(kāi)關(guān)中斷2個(gè)宏來(lái)保護臨界代碼如下：

3.3 OS_CPU_C.C文件中主要函數的定義及編寫(xiě)

OS_CPU_C.C中要求用戶(hù)編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的函數：

結合要移植的CPU內核的硬件和寄存器特性，簡(jiǎn)要對任務(wù)堆棧初始化函數進(jìn)行分析和創(chuàng )建：

其他9個(gè)函數必須聲明，但并不一定包含任務(wù)代碼。

3.4 μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-Ⅱ的移植，還要求編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數;即OSStartHighRdy()，OSintCtxSw()，OSTIckISR()，OSCtxSw()。

3.4.1 函數OSStart()調用OSStartHighRdy()

函數OSStart()用于調用OSStartHighRdy()，以使使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開(kāi)始運行：

3.4.2 時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)程序

μC/OS-Ⅱ要求用戶(hù)提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，以實(shí)現時(shí)間延遲和超時(shí)確認功能，時(shí)鐘節拍每秒發(fā)生10～100次。必須在開(kāi)始多任務(wù)后，啟動(dòng)時(shí)鐘節拍中斷，但由于Osatart()函數不會(huì )返回，用戶(hù)無(wú)法實(shí)現這一操作，所以可以在OSStart()運行之后，μC/OS啟動(dòng)的第1個(gè)任務(wù)中初始化節拍中斷?；贚PC2378移植下OSTicklSR()的簡(jiǎn)易代碼編寫(xiě)如下：