μC/OS-II在PC機上移植的設計與實現

1 引言

μC/OS-II是專門為嵌入式系統應用而設計的嵌入式實時操作系統，人們在學習μC/OS-II時，一開始往往在基于PC機的DOS或 Windows環(huán)境下進行分析與研究。在這種環(huán)境中，帶有μC/OS-II內核的應用系統（簡稱μC/OS-II應用系統）的運行，讓人覺得它好像是一個 DOS程序，人們無法真實地領略實時操作系統的面貌。實際上，在PC機的DOS或Windows環(huán)境中，μC/OS-II應用系統確實是一個DOS可執(zhí)行程序，它的運行離不開DOS或Windows環(huán)境。為了讓更多的人掌握和理解μC/OS-II實時操作系統，筆者對μC/OS-II進行移植，使其完全脫離DOS或Windows環(huán)境而運行。首先設計Bootloader引導程序，由它來裝入μC/OS-II應用系統；其次修改BORLAND C++編譯器中的EXE啟動代碼，剝去與DOS相關的代碼；最后修改μC/OS-II內核代碼中與硬件平臺相關部分的代碼，使其能正常運行和正常退出。

2 bootloader的設計

Bootloader引導程序的設計是嵌入式系統軟件開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，它把操作系統和硬件平臺銜接在一起，通過初始化硬件設備、建立內存空間映射，為最終加載操作系統內核建立正確的環(huán)境。由于Bootloader的實現依賴于CPU的體系結構，因此大多數初始化引導程序分為兩部分，第一部分主要包含依賴于CPU體系結構的硬件初始化代碼，第二部分實現的功能比第一部分更多更復雜，它為內核程序準備運行的環(huán)境，將內核裝入到指定位置，并轉到內核處運行。本文設計的Bootloader也是由兩部分構成，一部分稱作BOOT的引導記錄，另一部分是LOADER裝入程序。BOOT的大小固定為512個字節(jié)，作為引導記錄存放在軟盤的0面0磁道1扇區(qū)，它所實現的功能是在軟盤的目錄區(qū)中尋找LOADER文件，并將LOADER裝入到內存中，然后由 LOADER負責初始化工作環(huán)境并引導內核的運行。

軟盤采用FAT文件系統，并對它進行格式化，使用工具將BOOT寫到0面0磁道1扇區(qū)中，將LOADER和μC/OS-II應用系統程序復制到軟盤中，然后用軟盤啟動系統，就能觀察到μC/OS-II實時操作系統的運行情況，它完全脫離了DOS運行環(huán)境。同樣，也可以通過Bochs、QEMU或 VMware等虛擬機做一個磁盤映像文件，用BOOT替換該映像文件的前512個字節(jié)，將LOADER和μC/OS-II應用系統復制到該映像文件中，然后就可以在虛擬機中完成系統的啟動。這樣，在每次修改程序后，不需要重新啟動機器來驗證系統的正確性，而只需要調整映像文件，在虛擬機中重啟系統即可，使用虛擬機使內核的修改和調試變得十分容易。

2.1 BOOT的設計

當PC機加電后，首先進行自檢，然后尋找啟動盤，如果從軟盤啟動，計算機讀取軟盤的0面0磁道1扇區(qū)的內容，若該扇區(qū)最后兩個字節(jié)是0x55、 0xaa，則其為引導扇區(qū)，計算機將其內容裝入到內存地址0x7c00開始處，并轉到該處運行。因BOOT只能占用一個扇區(qū)，其大小固定為512個字節(jié)，其實現的功能受到限制，所以BOOT的主要功能是在磁盤的目錄區(qū)中尋找LOADER程序，并將其裝入到內存中，最后將CPU的控制權交給LOADER，其后的任務就由LOADER完成。BOOT程序的算法描述如下：

(1) 在顯示屏上顯示“Booting...”提示信息，同時使軟驅復位；

(2) 在磁盤的目錄區(qū)中尋找LOADER文件；

(3) 若LOADER文件存在，則轉(5);

(4) LOADER文件不存在，顯示提示信息“Boot fail!”，關閉軟驅馬達，程序進入死循環(huán)；

(5) 將LOADER讀到內存0x90000處；

(6) CPU轉到0x90000處運行，即將CPU的控制權交給LOADER。

這段程序用匯編語言編寫，它經過匯編連接后，使用工具軟件，比如debug將其寫到軟盤的0面0道1扇區(qū)。