嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II在LPC2378上的移植及應(yīng)用

0 引言

目前，市場以及院?？蒲杏?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如Vxworks，Linux和Windows CE等都已經(jīng)相當成熟，提供了有力的開發(fā)和調(diào)試工具，但有些開發(fā)成本昂貴，周期較長，而μC／OS-Ⅱ是一種多任務(wù)實時源代碼的公開操作系統(tǒng)，內(nèi)核精簡，移植性較強，非常適合用于一些小型控制和實驗系統(tǒng)的開發(fā)。

1 操作系統(tǒng)及CPU介紹

μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含有任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間同步通信(信號量，郵箱，消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語言寫成，極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼用匯編語言編寫，便于移植。作為一個源代碼公開的實時操作系統(tǒng)，最多可以管理64個任務(wù)，并支持信號量、郵箱、消息隊列等多種進程間的通信機制，同時用戶可以根據(jù)需求對內(nèi)核中的功能模塊進行裁剪。

LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的嵌入式精簡指令集微控制器，包含了1個支持仿真的ARM7TDMI-SCPU，適用于為了各種目的而需要進行串行通信的應(yīng)用。該體系機構(gòu)支持用戶、軟中斷、中斷、管理、中止、未定義、系統(tǒng)等7種處理器模式，ARM7TDMI-S處理器內(nèi)部有31個通用32位寄存器，6個狀態(tài)寄存器。LPC2378包含了1個10／100 EthernetMAC，USB 2．0全速接口，4個UART接口，2路CAN通道，1個SPI接口，2個同步串行端口(SSP)，3個I2C接口，1個I2S接口和MiniBus(MiniBus僅用于LPC2378，它是8位數(shù)據(jù)／16位地址并行的總線)。下面以μC／OS-Ⅱ在工業(yè)級芯片LPC2378上的移植為例，通過分析操作系統(tǒng)內(nèi)核來介紹μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法和過程及相關(guān)問題的解決。

2 μC／OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)及工作原理

2．1 內(nèi)核基本結(jié)構(gòu)

圖1是接近μC／OS-Ⅱ的簡單內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)核保留給上層應(yīng)用的接口有3個，分別是軟保護、ITC和DSR。由于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核是可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)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(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)，則中斷完成時，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的任務(wù)開始運行。

2．2 μC／OS-Ⅱ內(nèi)核基本工作原理

多任務(wù)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核負責管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(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(nèi)核提供的基本服務(wù)。μC／OS-Ⅱ多任務(wù)操作系統(tǒng)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(diào)用初始化函數(shù)OSInit()，初始化所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時創(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(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()創(chuàng)建至少一個新任務(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(diào)用OSSTART()函數(shù)，通過從任務(wù)就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級別最高的任務(wù)控制塊，然后開始多任務(wù)調(diào)度。

3 μC／OS-Ⅱ在LPC2378上的移植過程及相關(guān)問題分析

現(xiàn)以LPC2378微控制器上的移植為例，分析μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法，所采用的開發(fā)環(huán)境為ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境ADS1．2。

3．1 移植代碼

(1)μC／OS-Ⅱ與CPU類型無關(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，也就是說這些文件可以不用修改就直接添加。

(2)μC／OS-Ⅱ與CPU類型有關(guān)的代碼有OSCPU．H，OS_CPU_A．ASM，OS_CPU_C．C，也就是說用戶需要根據(jù)所選CPU的類型將這些函數(shù)進行修改后才能添加入內(nèi)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(shù)據(jù)類型、堆棧的寬度和增長方式以及開關(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方式不同，這里需要根據(jù)所選芯片LPC2378支持的類型對宏OS_STK_GRWOTH進行定義，由于ARM7 TD-MI-S內(nèi)核堆棧支持從上往下的生長方式，所以應(yīng)做如下定義：

#define OS_STK_GROWTH 1 ／／堆棧是從上往下長的

OS_CPU．H文件中另外3個宏OS_CRITICAL_METHOD，OS_ENTER_CRITICAL()，OS_EXIT_CRITICAL()用于定義開關(guān)中斷的方式及開關(guān)中斷的實現(xiàn)。通過調(diào)用開關(guān)中斷2個宏來保護臨界代碼如下：

3．3 OS_CPU_C．C文件中主要函數(shù)的定義及編寫

OS_CPU_C．C中要求用戶編寫10個簡單的函數(shù)：

結(jié)合要移植的CPU內(nèi)核的硬件和寄存器特性，簡要對任務(wù)堆棧初始化函數(shù)進行分析和創(chuàng)建：

其他9個函數(shù)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4個簡單的匯編語言函數(shù)；即OSStartHighRdy()，OSintCtxSw()，OSTickISR()，OSCtxSw()。

3．4．1 函數(shù)OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()

函數(shù)OSStart()用于調(diào)用OSStartHighRdy()，以使使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行：

3．4．2 時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序

μC／OS-Ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源，以實現(xiàn)時間延遲和超時確認功能，時鐘節(jié)拍每秒發(fā)生10～100次。必須在開始多任務(wù)后，啟動時鐘節(jié)拍中斷，但由于Osatart()函數(shù)不會返回，用戶無法實現(xiàn)這一操作，所以可以在OSStart()運行之后，μC／OS啟動的第1個任務(wù)中初始化節(jié)拍中斷?；贚PC2378移植下OSTicklSR()的簡易代碼編寫如下：

當時鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時，CPU會自動把CPU寄存器推入堆棧，但并不包括存儲頁面寄存器PPAGE，如果單片機系統(tǒng)的尋址范圍超過64 KB，則需要通過給PPAGE賦值來區(qū)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)控制塊中時間延時項OSTCBDly減到了零，OSTi-mtick()就進入了就緒態(tài)。OSIntExit()會調(diào)用中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw執(zhí)行任務(wù)切換，而不再執(zhí)行后面的指令。如果沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)，則CPU會返回中斷前狀態(tài)。

3．4．3 任務(wù)級任務(wù)切換

實際上任務(wù)級的切換就是通過執(zhí)行軟中斷指令，或者根據(jù)處理器的不同，執(zhí)行TRAP指令來實現(xiàn)。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(tǒng)在跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序時會自動把斷點指針壓入堆棧的功能，把斷點指針存入堆棧，而利用中斷返回指令I(lǐng)RET，能把斷點指針推入CPU的PC寄存器功能，恢復待運行任務(wù)的斷點，這樣就可以實現(xiàn)斷點的保存和恢復。

3．4．4 中斷級任務(wù)切換

OSIntExit()通過調(diào)用OSIntSw()，在ISR中執(zhí)行任務(wù)切換函數(shù)。因為OSIntCtxSw()是在ISR中被調(diào)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(shù)的絕大多數(shù)代碼與OSCtxSw()函數(shù)是一樣的，區(qū)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(shù)中保存CPU的寄存器。在進行操作系統(tǒng)移植時，該段程序的代碼如下：

3．5 移植中的問題

ARM處理器的軟件調(diào)試通過JTAG口直接在系統(tǒng)的外部SRAM運行，因此在程序調(diào)試之前，ARM處理器的開發(fā)環(huán)境軟件首先調(diào)用初始化文件(*．ini)，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的外部存儲器和設(shè)備的地址來修改文件。如果該文件有誤，開發(fā)環(huán)境軟件將無法通過JTAG與處理器通信。系統(tǒng)調(diào)試過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，經(jīng)過測試與分析，主要有4個方面原因：

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

(2)在OsctxSw和OSIntctxSw中的任務(wù)切換語句后加人幾條NOP空語句，確保任務(wù)切換的相應(yīng)指令執(zhí)行結(jié)束，如果在這些位置沒有加相應(yīng)的空操作指令，也會導致程序跑飛；

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

(4)μC／OS-Ⅱ要求用戶提供一個時鐘資源來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍應(yīng)該每秒鐘發(fā)生10～100次，用戶必須在開始多任務(wù)調(diào)度后(即調(diào)用OSStart后)允許時鐘節(jié)拍中斷。通常的錯誤是在調(diào)用OSlnit()和OSStart()之間允許時鐘節(jié)拍中斷，同時用戶不要單純地追求實時性，而將系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍頻率增加太高。以上幾個方面的問題解決后，系統(tǒng)的工作非常穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)測試

移植完成后的系統(tǒng)包括4個部分：自啟動程序、μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)文件、移植代碼、應(yīng)用程序。開發(fā)環(huán)境是ARM公司提供的ADSl．2(ARM Dev-eloper Suite)。該系統(tǒng)創(chuàng)建了以下3個任務(wù)來驗證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個任務(wù)，之后不加任何其他應(yīng)用代碼來測試移植好的μC／OS-Ⅱ，也就是說應(yīng)該先測試內(nèi)核自身的運行狀況。這樣做有2個原因：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題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題。經(jīng)過測試和修改，無相關(guān)錯誤產(chǎn)生，說明移植成功。

5 結(jié)語

μC／OS-Ⅱ具有很強的移植性，具有多任務(wù)實時可剝奪型內(nèi)核，而且代碼量較小，源代碼開放，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(nèi)核，不僅開發(fā)成本低，而且系統(tǒng)精簡，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?shù)纳虡I(yè)價值。