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

　　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：

　　當時(shí)鐘節拍中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì )自動(dòng)把CPU寄存器推入堆棧，但并不包括存儲頁(yè)面寄存器PPAGE，如果單片機系統的尋址范圍超過(guò)64 KB，則需要通過(guò)給PPAGE賦值來(lái)區分不同的16 KB地址，需要把PPAGE也推入堆棧。當某任務(wù)的任務(wù)控制塊中時(shí)間延時(shí)項OSTCBDly減到了零，OSTi-mtick()就進(jìn)入了就緒態(tài)。OSIntExit()會(huì )調用中斷級的任務(wù)切換函數OSIntCtxSw執行任務(wù)切換，而不再執行后面的指令。如果沒(méi)有更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則CPU會(huì )返回中斷前狀態(tài)。

　　3．4．3 任務(wù)級任務(wù)切換

　　實(shí)際上任務(wù)級的切換就是通過(guò)執行軟中斷指令，或者根據處理器的不同，執行TRAP指令來(lái)實(shí)現。中斷服務(wù)子程序、TRAP或者異常處理的向量地址必須指向OSCtXSW()，利用系統在跳轉到中斷服務(wù)程序時(shí)會(huì )自動(dòng)把斷點(diǎn)指針壓入堆棧的功能，把斷點(diǎn)指針存入堆棧，而利用中斷返回指令I(lǐng)RET，能把斷點(diǎn)指針推入CPU的PC寄存器功能，恢復待運行任務(wù)的斷點(diǎn)，這樣就可以實(shí)現斷點(diǎn)的保存和恢復。

　　3．4．4 中斷級任務(wù)切換

　　OSIntExit()通過(guò)調用OSIntSw()，在ISR中執行任務(wù)切換函數。因為OSIntCtxSw()是在ISR中被調用的，所以假定所有的處理器寄存器都被正確地保存到了被中斷任務(wù)的堆棧中。OSIntSw()函數的絕大多數代碼與OSCtxSw()函數是一樣的，區別只是：因為ISR已經(jīng)保存了CPU的寄存器，而不再需要在OSIntSw()函數中保存CPU的寄存器。在進(jìn)行操作系統移植時(shí)，該段程序的代碼如下：

　　3．5 移植中的問(wèn)題

　　ARM處理器的軟件調試通過(guò)JTAG口直接在系統的外部SRAM運行，因此在程序調試之前，ARM處理器的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件首先調用初始化文件(*．ini)，用戶(hù)可以根據自己系統的外部存儲器和設備的地址來(lái)修改文件。如果該文件有誤，開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件將無(wú)法通過(guò)JTAG與處理器通信。系統調試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )出現程序跑飛的現象，經(jīng)過(guò)測試與分析，主要有4個(gè)方面原因：

　　(1)中斷處理程序的中斷矢量地址沒(méi)有正確賦值，從而導致發(fā)生中斷后CPU無(wú)法運行到中斷處理程序位置；

　　(2)在OsctxSw和OSIntctxSw中的任務(wù)切換語(yǔ)句后加人幾條NOP空語(yǔ)句，確保任務(wù)切換的相應指令執行結束，如果在這些位置沒(méi)有加相應的空操作指令，也會(huì )導致程序跑飛；

　　(3)由于堆棧的空間分配不夠，以及沒(méi)有給CPU的各個(gè)工作模式分配空間，導致任務(wù)切換時(shí)，堆棧溢出；

　　(4)μC／OS-Ⅱ要求用戶(hù)提供一個(gè)時(shí)鐘資源來(lái)實(shí)現時(shí)鐘節拍，時(shí)鐘節拍應該每秒鐘發(fā)生10～100次，用戶(hù)必須在開(kāi)始多任務(wù)調度后(即調用OSStart后)允許時(shí)鐘節拍中斷。通常的錯誤是在調用OSlnit()和OSStart()之間允許時(shí)鐘節拍中斷，同時(shí)用戶(hù)不要單純地追求實(shí)時(shí)性，而將系統的時(shí)鐘節拍頻率增加太高。以上幾個(gè)方面的問(wèn)題解決后，系統的工作非常穩定。

　　4 系統測試

　　移植完成后的系統包括4個(gè)部分：自啟動(dòng)程序、μC／OS-Ⅱ系統文件、移植代碼、應用程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司提供的ADSl．2(ARM Dev-eloper Suite)。該系統創(chuàng )建了以下3個(gè)任務(wù)來(lái)驗證μC／OS-Ⅱ的移植成功：

　　在為自己的微處理器做完μC／OS-Ⅱ的移植后，首先建立3個(gè)任務(wù)，之后不加任何其他應用代碼來(lái)測試移植好的μC／OS-Ⅱ，也就是說(shuō)應該先測試內核自身的運行狀況。這樣做有2個(gè)原因：不希望將事情復雜化；如果有些地方?jīng)]有工作可以明白是移植本身的問(wèn)題，而不是應用代碼產(chǎn)生的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測試和修改，無(wú)相關(guān)錯誤產(chǎn)生，說(shuō)明移植成功。

　　5 結語(yǔ)

　　μC／OS-Ⅱ具有很強的移植性，具有多任務(wù)實(shí)時(shí)可剝奪型內核，而且代碼量較小，源代碼開(kāi)放，可被廣泛移植到8位、16位等許多微處理器上。國外諸如APC，ROTEK等企業(yè)都在產(chǎn)品中成功地使用了μC／OS-Ⅱ內核，不僅開(kāi)發(fā)成本低，而且系統精簡(jiǎn)，因此將μC／OS-Ⅱ移植到LPC-2378這種工業(yè)級的芯片上，具有相當的商業(yè)價(jià)值。