uC/OS-II進(jìn)行移植的一般方法和技巧

引言

---實(shí)時(shí)操作系統的使用，能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統的應用開(kāi)發(fā)，有效地確保穩定性和可靠性，便于維護和二次開(kāi)發(fā)。

μC/OS-II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，可固化、可剪裁、具有高穩定性和可靠性，除此以外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護。

在μC/OS-II官方的主頁(yè)上可以查找到一個(gè)比較全面的移植范例列表。但是，在實(shí)際的開(kāi)發(fā)項目中，仍然沒(méi)有針對項目所采用芯片或開(kāi)發(fā)工具的合適版本。那么，不妨自己根據需要進(jìn)行移植。

本文則以在TMS320C6711 DSP上的移植過(guò)程為例，分析了μC/OS-II在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺上進(jìn)行移植的一般方法和技巧。μC/OS-II移植的基本步驟

在選定了系統平臺和開(kāi)發(fā)工具之后，進(jìn)行μC/OS-II的移植工作，一般需要遵循以下的幾個(gè)步驟：

● 深入了解所采用的系統核心
● 分析所采用的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具的特點(diǎn)
● 編寫(xiě)移植代碼
● 進(jìn)行移植的測試
● 針對項目的開(kāi)發(fā)平臺，封裝服務(wù)函數
（類(lèi)似80x86版本的PC.C和PC.H）

系統核心

無(wú)論項目所采用的系統核心是MCU、DSP、MPU，進(jìn)行μC/OS-II的移植時(shí)，所需要關(guān)注的細節都是相近的。

首先，是芯片的中斷處理機制，如何開(kāi)啟、屏蔽中斷，可否保存前一次中斷狀態(tài)等。還有，芯片是否有軟中斷或是陷阱指令，又是如何觸發(fā)的。

此外，還需關(guān)注系統對于存儲器的使用機制，諸如內存的地址空間，堆棧的增長(cháng)方向，有無(wú)批量壓棧的指令等。

在本例中，使用的是TMS320C6711 DSP。這是TI公司6000系列中的一款浮點(diǎn)型號，由于其時(shí)鐘頻率非常高，且采用了超常指令字（VLIW）結構、類(lèi)RISC指令集、多級流水等技術(shù)，所以運算性能相當強大，在通信設備、圖像處理、醫療儀器等方面都有著(zhù)廣泛的應用。

在C6711中，中斷有3種類(lèi)型，即復位、不可屏蔽中斷（NMI）和可屏蔽中斷（INT4-INT15）?？善帘沃袛嘤蒀SR寄存器控制全局使能，此外也可用IER寄存器分別置位使能。而在C6711中并沒(méi)有軟中斷機制，所以μC/OS-II的任務(wù)切換需要編寫(xiě)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的函數實(shí)現。

此外，C6711也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的中斷返回指令、批量壓棧指令，所以相應的任務(wù)切換代碼均需編程完成。由于采用了類(lèi)RISC核心，C6711的內核結構中，只有A0-A15和B0-B15這兩組32bit的通用寄存器。 

C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具

無(wú)論所使用的系統核心是什么，C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具對于μC/OS-II是必不可少的。
最簡(jiǎn)單的信息可以從開(kāi)發(fā)工具的手冊中查找，比如：C語(yǔ)言各種數據類(lèi)型分別編譯為多少字節；是否支持嵌入式匯編，格式要求怎樣；是否支持“interrupt”非標準關(guān)鍵字聲明的中斷函數；是否支持匯編代碼列表(list)功能，等等。

上述的這樣一些特性，會(huì )給嵌入式的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很多便利。TI的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具CCS for C6000就包含上述的所有功能。

而在此基礎上，可以進(jìn)一步地弄清開(kāi)發(fā)工具的一些技術(shù)細節，以便進(jìn)行之后真正的移植工作。

首先，開(kāi)啟C編譯器的“匯編代碼列表(list)”功能，這樣編譯器就會(huì )為每個(gè)C語(yǔ)言源文件生成其對應的匯編代碼文件。

在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境中的方法是：在菜單“/Project/Build options”的“Feedback”欄中選擇“Interlisting：Opt/C and ASM(-s)”；或者，也可以直接在CCS的C編譯命令行中加上“-s”參數。

然后分別編寫(xiě)幾個(gè)簡(jiǎn)單的函數進(jìn)行編譯，比較C源代碼和編譯生成的匯編代碼。例如：

void FUNC_TEMP (void)
{
Func_tmp2(); //調用任一個(gè)函數
}
在CCS中編譯后生成的ASM代碼為：
.asg B15, SP // 宏定義
_FUNC_TEMP:
STW B3,*SP--(8) // 入棧
NOP 2
CALL _ Func_tmp2 //-----------
MVKL BACK, B3 // 函數調用
MVKH BACK, B3 //-----------
NOP 3 
BACK: LDW *++SP(8),B3 // 出棧
NOP 4
RET B3 // 函數返回
NOP 5

由此可見(jiàn)，在CCS編譯器的規則中，B15寄存器被用作堆棧指針，使用通用存取指令進(jìn)行棧操作，而且堆棧指針必須以8字節為單位改變。

此外，B3寄存器被用來(lái)保存函數調用時(shí)的返回地址，在函數執行之前需要入棧保護，直到函數返回前再出棧。

當然，CCS的C編譯器對于每個(gè)通用寄存器都有約定的用途，但對于μC/OS-II的移植來(lái)說(shuō)，了解以上信息就足夠了。

最后，再編寫(xiě)一個(gè)用“interrupt”關(guān)鍵字聲明的函數：

interrupt void ISR_TEMP (void)
{
int a;
a=0;
}
生成的ASM代碼為：
_ISR_TEMP:
STW B4,*SP--(8) // 入棧
NOP 2
ZERO B4 //---------
STW B4,*+SP(4) // a=0
NOP 2 //----------
B IRP // 中斷返回
LDW *++SP(8),B4 // 出棧
NOP 4 

與前一段代碼相比，對于中斷函數的編譯，有兩點(diǎn)不同：

● 函數的返回地址不再使用B3寄存器，相應地也無(wú)需將B3入棧。（IRP寄存器能自動(dòng)保存中斷發(fā)生時(shí)的程序地址）

● 編譯器會(huì )自動(dòng)統計中斷函數所用到的寄存器，從而在中斷一開(kāi)始將他們全部入棧保護——例如上述程序段中，只用到了B4寄存器。

編寫(xiě)移植代碼

在深入了解了系統核心與開(kāi)發(fā)工具的基礎上，真正編寫(xiě)移植代碼的工作就相對比較簡(jiǎn)單了。

μC/OS-II自身的代碼絕大部分都是用ANSI C編寫(xiě)的，而且代碼的層次結構十分干凈，與平臺相關(guān)的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H這三個(gè)文件當中。

在移植的時(shí)候，結合前面兩個(gè)步驟中已經(jīng)掌握的信息，基本上按照《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II》一書(shū)的相關(guān)章節的指導來(lái)做就可以了。

但是，由于系統核心、開(kāi)發(fā)工具的千差萬(wàn)別，在實(shí)際項目中，一般都會(huì )有一些處理方法上的不同，需要特別注意。以C6711的移植為例：

● 中斷的開(kāi)啟和屏蔽的兩個(gè)宏定義為：
#define OS_ENTER_CRITICAL() Disable_int() 
#define OS_EXIT_CRITICAL() Enable_int()

Disable_int和Enable_int是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的兩個(gè)函數。在這里使用了控制狀態(tài)寄存器(CSR)的一個(gè)特性——CSR中除了控制全局中斷的GIE位之外，還有一個(gè)PGIE位，可用于保存之前的GIE狀態(tài)。

因此在Disable_int中先將GIE的值寫(xiě)入PGIE，然后再將GIE寫(xiě)0，屏蔽中斷。而在Enable_int中則從PGIE讀出值，寫(xiě)入GIE，從而回復到之前的中斷設置。

這樣，就可以避免使用這兩個(gè)宏而意外改變了系統的中斷狀態(tài)——此外，也沒(méi)有使用堆?；蚓植孔兞?，比原作者推薦的方法要好。

● 任務(wù)的切換：
前文說(shuō)過(guò)，C6711中沒(méi)有軟中斷機制，所以任務(wù)的切換需要用匯編語(yǔ)言自行編寫(xiě)一個(gè)函數_OSCtxSw來(lái)實(shí)現，并且
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()
在C6711中需要入棧保護的寄存器包括A0-A15、B0-B15、CSR、IER、IRP和AMR，這些再加上當前的程序地址構成一個(gè)存儲幀，需要入棧保存。
_OSCtxSw函數中，需要像發(fā)生了一次中斷那樣，將上述存儲幀入棧，然后獲取被激活任務(wù)的TCB指針，將其存儲幀的內容彈出，從而完成任務(wù)切換。
需要特別注意的是，在這里OS_TASK_SW是作為函數調用的，所以如前文所述，調用時(shí)的當前程序地址是保存在B3寄存器中的，這也就是任務(wù)重新激活時(shí)的返回地址。

● 中斷的編寫(xiě)：
如前文所述，如果用“interrupt”關(guān)鍵字聲明函數，CCS在編譯時(shí)，會(huì )自動(dòng)將該函數中使用到的寄存器入棧、出棧保護。
但是，這會(huì )導致各種中斷發(fā)生時(shí)，出入棧的內容各不相同。這對于μC/OS-II是會(huì )引起嚴重錯誤的。因為μC/OS-II要求中斷發(fā)生時(shí)的入棧操作使用和發(fā)生任務(wù)切換時(shí)完全一樣的存儲幀結構。
因此，在移植時(shí)、基于μC/OS-II進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，都不應當使用“interrupt”關(guān)鍵字，而應用如下結構編寫(xiě)中斷函數：

void OSTickISR (void)
{
DSP_C6x_Save(); // 服務(wù)函數，入棧
OSIntEnter();
if (OSIntNesting == 1) // v2.51版本新增加
{
OSTCBCur->OSTCBStkPtr
=(OS_STK*) DSP_C6x_GetCurrentSP(); // 服務(wù)函數
} // 獲取當前SP的值
// 允許中斷嵌套 則在此處開(kāi)中斷
OSTimeTick();
OSIntExit();
DSP_C6x_Resume(); // 服務(wù)函數，出棧
}
DSP_C6x_Save和DSP_C6x_Resume是兩個(gè)服務(wù)函數，分別完成中斷的出、入棧操作。它們與OS_TASK_SW函數的區別在于：中斷發(fā)生時(shí)的當前程序地址是自動(dòng)保存在IRP寄存器的，應將其作為任務(wù)返回地址，而不再是B3。此外，DSP_C6x_Resume是一個(gè)永遠不會(huì )返回的函數，在將所有內容出棧后，它就直接跳轉回到中斷發(fā)生前的程序地址處，繼續執行。

進(jìn)行移植的測試
在編寫(xiě)完了所有的移植代碼之后，就可以編寫(xiě)幾個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)程序進(jìn)行測試了，大體上可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行，相關(guān)資料比較詳盡，這里就不多作贅述了。

封裝服務(wù)函數
最后這個(gè)步驟，往往是容易被忽視的，但對于保持項目代碼的簡(jiǎn)潔、易維護有很重要的意義。
μC/OS-II的原作者強烈建議將源代碼分路徑進(jìn)行存儲，例如本文例子中的所有源代碼就應按如下路徑結構存儲：
uCOS-II
├─SOURCE // 平臺無(wú)關(guān)代碼
│ OS_CORE.C
│ ......
└─TI_C6711 // 系統核心
├─CCS // 開(kāi)發(fā)工具
│ OS_CPU.H 
│ OS_CPU_A.ASM
│ OS_CPU_C.C
│
├─ DSP_C6x_Service // 服務(wù)函數
│ DSP_C6x_ Service.H
│ DSP_C6x_ Service.ASM 
│
└─ TEST // 具體的開(kāi)發(fā)項目代碼
OS_CFG.H
INCLUDES.H
TEST.C ......

如上，DSP_C6x_Service中的服務(wù)函數，類(lèi)似于原作者提供的80x86版本中的PC.C和PC.H文件。在本文的例子中，服務(wù)函數則包括了上文提及的中斷相關(guān)函數，以及系統初始化函數DSP_C6x_SystemInit()和時(shí)鐘初始化函數DSP_C6x_TimerInit()等。
而具體的開(kāi)發(fā)項目代碼，則可以分別在“/TI_C6711”路徑下新建自己的目錄，就如同移植測試的“TEST”項目，而無(wú)需再關(guān)注μC/OS-II的源代碼和服務(wù)函數。
如此，就可以避免不必要的編譯錯誤，也便于開(kāi)發(fā)項目的維護。

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關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權的說(shuō)明

Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統應用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權。Micrium花費了大量的時(shí)間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶(hù)，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費軟件，也不是開(kāi)放源碼的軟件，因此，不能免費使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開(kāi)放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。

開(kāi)發(fā)和研究者可以通過(guò)購買(mǎi)Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書(shū)籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個(gè)人和學(xué)校學(xué)習使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買(mǎi)使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權，包括芯片/單板/系統廠(chǎng)家的任何參考設計，教學(xué)設備和最終的產(chǎn)品，如果沒(méi)有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書(shū)籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站（www.bmrtech.com）上面中有明確規定。

Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷(xiāo)售模式與μC/OS-II不同，如果沒(méi)有購買(mǎi)使用授權，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設計，培訓，教學(xué)和生產(chǎn)。

μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權方式有：?jiǎn)蝹€(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線(xiàn)（系列）、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數目收取費用的，相對起傳統的RTOS 動(dòng)輒2-3萬(wàn)美圓的開(kāi)發(fā)費用和每塊單板的使用費（根據數量從數百到幾個(gè)美圓），μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費方式，應該只是大約相當于傳統RTOS 的10-20% 的總體費用。