ARM微處理器的uC/OS的移植設計

概述

嵌入式操作系統μC/OS-II是一個(gè)公開(kāi)源代碼的占先式多任務(wù)的微內核RTOS，其特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：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)。目前國內對μC/OS-II的研究和應用都很多。只要買(mǎi)一本書(shū)就可獲得源代碼，對學(xué)校和教育的使用完全免費，商業(yè)應用的費用相對也很低。所以對μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統的學(xué)習研究、開(kāi)發(fā)、應用具有重要意義。

大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些處理器相關(guān)代碼。μC/OS-II的移植需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;

(2)可以使用C調用進(jìn)入和退出臨界區代碼;

(3)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源;

(4)處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧;

(5)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內核和堆棧交換數據的指令。

基于A(yíng)RM7的S3C44B0X處理器完全滿(mǎn)足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是arm7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2個(gè)UART、1個(gè)多主I2C總線(xiàn)控制器、1個(gè)I2C總線(xiàn)控制器，以及5通道PWM定時(shí)器和1個(gè)內部定時(shí)器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設備實(shí)現無(wú)縫連接，功能強大。目前，國內應用較為廣泛。

1內核的移植

μC/OS-II的移植只需要修改與處理器相關(guān)的代碼就可以了。具體有如下內容：

(1)os_cpu.h中需要設置一個(gè)常量來(lái)標識堆棧增長(cháng)方向;

(2)os_cpu.h中需要聲明幾個(gè)用于開(kāi)關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏;

(3)os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長(cháng)重新定義一系列數據類(lèi)型;

(4)os_cpu_a.asm需要改寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數;

(5)os_cpu_c.c需要用c語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單函數;

(6)修改主頭文件include.h，將上面的三個(gè)文件和其他自己的頭文件加入。

完成上述工作后，μC/OS-II就可以運行在arm處理器上了。

2 LwIP的移植

μC/OS-II本身沒(méi)有TCP/IP協(xié)議棧，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，很少給出源代碼，影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過(guò)把開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-II上來(lái)，就獲得了一套可免費研究、學(xué)習的嵌入式網(wǎng)絡(luò )軟件平臺。

2.1 Lwip的操作系統封裝層(operating system.emulation layer)

Lwip為了適應不同的操作系統,在代碼中沒(méi)有使用和某一個(gè)操作系統相關(guān)的系統調用和數據結構。而是在lwip和操作系統之間增加了一個(gè)操作系統封裝層。操作系統封裝層為操作系統服務(wù)(定時(shí),進(jìn)程同步,消息傳遞)提供了一個(gè)統一的接口。在lwip中進(jìn)程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”。操作系統封裝層的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具體的操作系統相關(guān)的代碼在../lwip/src /arch/sys_arch.c中。

操作系統封裝層的主要函數如下:

void sys_init(void)//系統初始化

sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng )建一個(gè)新進(jìn)程

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng )建一個(gè)郵箱

void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個(gè)郵箱

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個(gè)消息到郵箱

void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng )建一個(gè)信號量

void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個(gè)信號量

void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個(gè)信號量

void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個(gè)信號量

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設置一個(gè)超時(shí)事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個(gè)超時(shí)事件

…

關(guān)于操作系統封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件。

2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.

2.2.1 系統初始化sys_int()

sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務(wù)tcpip_thread創(chuàng )建前被調用。

2.2.2 創(chuàng )建一個(gè)和tcp/ip相關(guān)新進(jìn)程sys_thread_new()

lwip中的進(jìn)程就是μC/OS-II中的任務(wù),注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的堆棧大小,可以根據情況自己設置，我設置成10*1024，因為44b0X開(kāi)發(fā)板上有8M的sdram;而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關(guān)的任務(wù)最多數目;LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級,tcpip_thread在所有tcp/ip相關(guān)進(jìn)程中應該是優(yōu)先級最高的;另外tcpip_thread應該是最先創(chuàng )建的。

2.2.3 Lwip中的定時(shí)事件

在tcp/ip協(xié)議中很多時(shí)候都要用到定時(shí),定時(shí)的實(shí)現也是tcp/ip協(xié)議棧中一個(gè)重要的部分。 LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò )連接的線(xiàn)程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現為每個(gè)線(xiàn)程都對應一個(gè)sys_timeout結構體隊列，包括這個(gè)線(xiàn)程的timeout時(shí)間長(cháng)度，以及超時(shí)后應調用的timeout函數，該函數會(huì )做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線(xiàn)程對應的 sys_timeout為空(NULL)，說(shuō)明該線(xiàn)程對連接做永久的等待。timeout結構體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實(shí)現的是如下函數：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個(gè)函數的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線(xiàn)程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線(xiàn)程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數，只能由用戶(hù)實(shí)現。

2.2.4 “mbox”的實(shí)現:

LwIP使用消息隊列來(lái)緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實(shí)現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數：

sys_mbox_new() //創(chuàng )建一個(gè)消息隊列

sys_mbox_free() //釋放一個(gè)消息隊列

sys_mbox_post() //向消息隊列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊列中獲取消息