μC／OS―III在S12X架構上的移植

摘要：指出了μC／OS—III較μC／OS—II的改進(jìn)和發(fā)展，說(shuō)明了移植μC／OS—III的一般原則和方法，最后逐步給出了μC／OS—IlI在S12X架構上移植的步驟，讀者按照該步驟就能夠順利完成移植工作。
關(guān)鍵詞：μC／OS—III；S12X；CodeWarrior V5．1

引言
S12X架構是飛思卡爾公司推出的16位CPU，占有一定的單片機應用市場(chǎng)。μC／OS—III是．Micrium公司推出的一款實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，它的前身——μC／OS—II，由于源碼公開(kāi)、實(shí)時(shí)性好、便于學(xué)習等優(yōu)點(diǎn)，應用非常廣泛，并被移植到了幾乎所有主流的CPU架構上。但是到目前為止，μC／OS—III在S12X架構上還沒(méi)有官方的移植版本。
μC／OS-III相比μC／OS—II作了很大的改進(jìn)，整個(gè)內核基本被重寫(xiě)。任務(wù)的數量可無(wú)限多，只受限于系統存儲器的大??；由于支持時(shí)間片輪轉調度，任務(wù)的優(yōu)先級可以相同；采用了延遲中斷處理機制(deferred post)，中斷服務(wù)所要訪(fǎng)問(wèn)的全局變量數變得很少，使得大部分臨界代碼的保護只需要關(guān)閉調度器，而不需要關(guān)閉中斷，大大縮短了系統的中斷延遲；系統時(shí)鐘服務(wù)(tick handling)被移到了任務(wù)級執行，進(jìn)一步縮短了中斷延遲；引入了時(shí)間戳的概念，用32位計數器為系統提供了精確的時(shí)標，用來(lái)計算每個(gè)任務(wù)的CPU使用率、最長(cháng)關(guān)中斷時(shí)間、最長(cháng)關(guān)調度器時(shí)間等；提供了獨特的、豐富的運行時(shí)統計參數，為更好地應用μC／OS—III提供了有力的基礎。更深入地了解μC／OS—III內核，讀者可以參見(jiàn)參考文獻。
總之，μC／OS—III是μC／OS—II的全面升級，具有更短的中斷延遲、更豐富的運行時(shí)參數、更豐富的調試手段、更優(yōu)的代碼組織、更靈活的配置和使用等，但是，μC／OS—III對于硬件卻沒(méi)有更高的要求：對于ROM的需求，μC／OS—III為6～24 KB，μC／OS—II為6～26KB；對于RAM的需求二者均為1 KB左右，可見(jiàn)μC／OS—III同樣適合運行在低端的8位、16位單片機上。由于繼承了μC／OS—II的優(yōu)點(diǎn)，μC／OS—III有了這么多新的優(yōu)秀特性，它應該會(huì )得到更廣泛的應用。本文詳細地講述了μC／OS—III移植的方法和在S12X架構上移植的具體步驟，希望能對在該方面有需求的讀者提供幫助。

1 μC／OS-III的移植方法
如前所述，μC／OS—III對于硬件的要求并不比μC／OS—II高多少。事實(shí)上，只要滿(mǎn)足如下幾條，μC／OS—III就能夠被移植到該平臺上：
①處理器帶有支持標準C的工具鏈，并且需要支持32位數據。
②處理器支持中斷，并能夠提供10～1 000 Hz的周期中斷作為系統的時(shí)鐘節拍源。
③中斷能夠被關(guān)閉和打開(kāi)。
④處理器有棧指針寄存器，并且所有其他的寄存器能夠被存儲和恢復。
⑤處理器能夠支持足夠的尋址空間。
這幾個(gè)條件，現在的處理器架構都能夠滿(mǎn)足，S12X顯然也滿(mǎn)足，所以μC／OS—III能夠移植到S12X架構上。
μC／OS—III的代碼組織非常利于移植，代碼按照模塊分層次地組織在一起。移植時(shí)需要改動(dòng)的模塊和文件如表1所列。

2 μC／OS-III在S12X架構上移植的步驟
2．1 第一步：建立合適的起點(diǎn)
移植之前找一個(gè)合適的起點(diǎn)非常必要。這包括選擇已經(jīng)移植好的可運行的版本、工具鏈和開(kāi)發(fā)板。由于不存在飛思卡爾16位CPU的μC／ OS—III的移植版本，這里選擇K60移植版本。該移植版本的IAR示例工程可以從Micrium官方網(wǎng)站下載。工具鏈選擇CodeWarrior Development Studio for S12(X)V5．1(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CW5．1)，開(kāi)發(fā)板使用MC9S12XDP512的核心小板即可。K60的處理器基于Cortex—M4架構，是32位CPU，與S12X 16位處理器存在很大的差異，所以表1中所列的文件基本需要全部重寫(xiě)。
2．2 第二步：新建工程
打開(kāi)CW5．1，新建工程，選擇目標為MC9S12XDP512，調試方式為T(mén)BDML，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，選擇小存儲模式(small memory model)，其余的選項按照默認設置即可。MC9S12XDP512采用了分頁(yè)內存機制，擴展了16位CPU的64 KB尋址空間，它擁有512 KB的Flash，出于簡(jiǎn)單考慮，移植的過(guò)程中忽略這種分頁(yè)機制，即所謂的小存儲模式，只使用默認的64 KB的存儲空間。對于大多數的16位單片機應用，這么大的存儲空間應該夠用。μC／OS—III的設計并沒(méi)有固定代碼和數據的位置，也沒(méi)有固定中斷的設置方法，也沒(méi)有固定自己的啟動(dòng)代碼，將這些都交給了工具鏈或者用戶(hù)。μC／OS—III代碼的運行開(kāi)始于main函數，對于之前的C語(yǔ)言環(huán)境初始化、硬件初始化沒(méi)有什么特殊的需求，對于自己的代碼和數據段的放置也沒(méi)有特別的要求，這應該說(shuō)是一種靈活性。中斷設置，需要在前述的prm文件中加入如下幾行：
VECTOR 0_startup
VECTOR 7OS_CPU_SysTickHandler
VECTOR 4OSCtxSw
分別制定好用于任務(wù)切換的軟中斷和時(shí)鐘節拍的RTI中斷。
2．3 第三步：添加文件
打開(kāi)資源管理器，在工程目錄下新建表2所示目錄，并從官網(wǎng)上下載的IAR示例工程中拷貝相應的文件。在CW5．1的工程中添加表2中新建的文件夾，并將上述拷貝的文件加入對應的文件夾。接下來(lái)需要修改路徑設置：Edit->Standard Setting->Target->Access Paths，勾選Always Search Usei Paths。這樣，添加文件的環(huán)節算是完成了。

2．4 第四步：修改文件
這一步是移植的關(guān)鍵，按照表2的總結，一共需要修改8個(gè)文件，接下來(lái)逐個(gè)說(shuō)明。
(1)os_cpu_a．a(chǎn)sm
該文件包含了OSStartHiglaRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw 三個(gè)實(shí)現任務(wù)切換的代碼片段，將這3個(gè)片段定義到一個(gè)代碼段，比如codesecti on2段，具體就是在文件開(kāi)始處加上語(yǔ)句“codesection2：SECTION”即可。另外，μC／OS—III中這3個(gè)函數都是在臨界代碼段中訪(fǎng)問(wèn)，故不需要考慮共享變量的問(wèn)題。OSCtxSw的代碼如下：


該函數被設計成swi軟中斷的服務(wù)程序，所以1～2行代碼結合中斷響應時(shí)的入棧操作完成了被換出任務(wù)的上下文的保存，3行調用介入函數，4～7行修改了記錄當前任務(wù)TCB和優(yōu)先級的全局變量，8行將SP換成了換入任務(wù)的棧指針，9行執行后CPU會(huì )裝載換入任務(wù)的上下文，從而完成了上下文切換。OSStartHighRdy和OSIntCtxSw的機制和OSCtxSw類(lèi)似，代碼分別如下：

應該注意到，這3個(gè)函數的功能僅僅是保存換出任務(wù)的上下文和裝載換入任務(wù)的上下文，之所以這么簡(jiǎn)單，主要是因為S12X的寄存器很少，中斷響應和返回過(guò)程硬件都自動(dòng)完成了所有寄存器的保存和恢復。這也從一個(gè)側面說(shuō)明了為什么需要借助中斷完成任務(wù)切換的一個(gè)原因：借助中斷機制，可以高效簡(jiǎn)潔地完成上下文切換。
(2)os_cpu_c．c
這個(gè)文件里面至少需要修改兩個(gè)函數，即任務(wù)棧初始化函數OSTaskStkInit和時(shí)鐘節拍服務(wù)程序OS_CPU_SysTickHandler。遵照S12X中斷的棧結構，OSTaskStkInit實(shí)現如下：

從棧頂到棧底依次為CCR、D、X、Y、PC，按照S12X的C語(yǔ)言參數傳遞規則，任務(wù)函數的傳入參數被保存在了D寄存器對應的棧位置。

該宏保存被中斷任務(wù)的棧頂指針，在其TCB結構中，之所以需要先遞增SP、保存SP、再遞減，是因為CPU_SR_ALLOC()宏定義了一個(gè)局部變量，該變量處在任務(wù)棧上，但是不屬于上下文的一部分。
如果在該移植版本上寫(xiě)中斷服務(wù)子程序，都需要寫(xiě)成上述格式，μC／OS-III才能夠正常運行。另外，需要將OSTaskSwHook函數單獨定義在os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中所定義的那個(gè)段中，這只需在該函數頭尾加上如下語(yǔ)句：
#pragma CODE_SEG codesection2
void OSTaskSwHook(void){
……
}
#pragma CODE_SEG DEFAULT
這是因為該函數被os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中的3個(gè)匯編函數以bsr指令調用，而bsr只能夠實(shí)現-128～+127范圍的相對轉移，故這里只需要將他們放在同一段，即可完成跳轉。
os_cpu．h為頭文件，需要定義上述OS_SAVE_SP()宏，其他的可以不更改，也可以刪除那些沒(méi)有被定義的聲明(如原來(lái)的pendSV的服務(wù)子程)，注意os_cpu_a．a(chǎn)sm是完全重寫(xiě)，os_cpu_c．c只是修改上述兩個(gè)函數。
(3)cpu．h
編譯器無(wú)關(guān)的數據類(lèi)型定義，可以參考Edit->Standard Setting->Compiler for HC12->type sizes，默認情況下char為8位，int和short為16位，long和long long為32位，該編譯器不支持64位。該處理器為大端模式、棧生長(cháng)方向為遞減，其余的設置都很容易改動(dòng)，這里不一一贅述。
(4)cpu_a．a(chǎn)sm
替代對應的函數如下所示，其余的函數可以刪除(μC／OS—III沒(méi)有用到)：

這幾個(gè)函數完成相應的使能中斷、關(guān)閉中斷、保存中斷狀態(tài)并關(guān)閉、恢復中斷狀態(tài)這4個(gè)功能，都比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。
cpu_c．c文件中的函數其實(shí)都可以刪了，當然也可以保留，因為這里面原來(lái)是一些關(guān)于中斷向量操作、位帶操作指令，這些都是特定于Cortex—M3的，S12X并沒(méi)有位操作的對應指令。
最后是bsp．c和bsp．h，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，bsp．c只定義了如下函數：
void BSP Init(void){
IRQCR=0x00；
RTICTL=0x74；
CRGINT|=0x80；
}
這算得上是最簡(jiǎn)單的“bsp包”了，僅僅設置并使能了RTI中斷作為系統時(shí)鐘中斷(當然還關(guān)閉了IRQ中斷)。該函數需要在第一個(gè)運行的用戶(hù)任務(wù)中調用，開(kāi)始μC／OS—III的心跳。
至此，所有必要的文件修改工作已經(jīng)完成。
2．5 第五步：調試運行
經(jīng)過(guò)上述步驟，如果編譯、鏈接沒(méi)有什么問(wèn)題，寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的應用，借助調試器就可以對基于μC／OS—III的應用進(jìn)行調試了。其實(shí)在移植的過(guò)程中，第四步的很多細節都是在第五步的調試中發(fā)現問(wèn)題并完善的。值得注意的是，由于MC9S12XDP512沒(méi)有32位的計數器，所以bsp．c里面也沒(méi)有初始化該計數器的代碼，也沒(méi)有提供系統所需的CPU_TS_TmrRd函數，所以以下幾個(gè)宏應該配置如下：
#defineOS_CFG_TS_EN 0u
#define OS_CFG_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_EN 0u
不定義CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN宏，在這種配置下，系統所有依賴(lài)于時(shí)間戳的功能都被關(guān)閉。其余的μC／OS—III組件都可以使能。

結語(yǔ)
使用CW5．1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的讀者，只要按照以上步驟，即可在S12X系列單片機上完成μC／OS—III的移植和運行。本文還融入了筆者對于μC／OS—III的理解，希望能夠幫助讀者理解和熟悉μC／OS-III的移植工作，進(jìn)一步加深對于該款優(yōu)秀實(shí)時(shí)內核的理解。