實時嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在MPC555上的移植
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１ 移植原理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務管理、時間管理、任務之間通信管理和內存管理五方面功能。其結構共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個文件。該層完成系統(tǒng)時鐘的設置、出入中斷的管理和任務切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時間管理、任務調度管理、任務間的通信管理和內存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無關，它為用戶應用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務兩個處理級別，用戶可以建立自己的任務，編寫必要的中斷子程，在任務之間或任務與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫。根據以上結構特點，在移植過程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結構做相應改動，使其完成系統(tǒng)時鐘設置、中斷管理和任務切換功能即可。 在前后臺系統(tǒng)中，提供一個ＣＰＵ堆棧。發(fā)生中斷時，將當前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現場，執(zhí)行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復現場。 在多任務系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創(chuàng)建時，為每個任務建立并初始化一個堆棧。當發(fā)生中斷或任務切換時，把當前任務運行現場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務的堆棧中。當某個任務需要從就緒狀態(tài)激活到運行狀態(tài)時，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務的堆棧中彈出。這樣，每個任務分時占用ＣＰＵ。而對各任務來說，每次進入運行態(tài)時，ＣＰＵ狀態(tài)都與上次從運行態(tài)退出時完全一樣。所以不再是使用一個ＣＰＵ堆棧，而是多個任務將各自的運行現場保存到自己的堆棧中。圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖另外，調用Ｃ函數時也會使用到堆棧，此時編譯器會創(chuàng)建一個堆棧；在Ｃ函數返回時，將其釋放。其大小因Ｃ函數使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時，能夠正確創(chuàng)建、初始化、保存并恢復各個任務的堆棧，是確保ＯＳ任務切換和中斷管理順利完成的關鍵。 ＭＰＣ５５５有３２個３２ｂｉｔ通用定點數寄存器，３２個６４ｂｉｔ浮點數寄存器，另有９個控制／狀態(tài)寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結構，設計如表１的堆棧結構。每次任務環(huán)境入棧時創(chuàng)建一含７３個位置的堆棧，為了保證浮點數寄存器的完整，每個位置為６４ｂｉｔ寬。創(chuàng)建任務時，建立該堆棧結構，并用默認值對其進行初始化。在任務保存或激活時把寄存器的值保存到堆棧中相應位置，或者從堆棧的相應位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時，要注意控制好ＳＰ。表1 堆棧結構表 SP OffsetRegister SavedNUMDefault Value584～336328320～80726456484032241680FP31～FP0FPSCRGPR31～GPR0DARCTXLRXERCRSRR1SRR0MSRSP（GPR1）73～424140～1098765432100.00x000020FC00000x00x000x00task*0x100000000[1]0x000x000x0000B00200000000task*0x100000000[1]0x0000B002000000000注：堆棧所屬任務代碼入口地址 ２ 中斷管理 首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中斷結構。在ＭＰＣ中有新的概念——異常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出現，包括中斷、總線錯誤、指令錯誤、系統(tǒng)調用異常、實時中斷異常和復位等。ＭＰＣ為異常提供了異常向量表。該表為每個異常提供一個２５６字節(jié)的異常處理代碼空間。 所有外部中斷和Ｉ／Ｏ子模塊產生的中斷共同作為異常的一種，占用異常向量表中的一個位置。在該異常處理程序中，軟件需根據中斷狀態(tài)寄存器的值判斷到底發(fā)生了哪個中斷并進行相應處理。 在每次發(fā)生異常時，ＭＰＣ自動將主狀態(tài)寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中，將程序指針ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；然后ＰＣ指針指向該異常在異常向量表中的起始位置，進入異常處理程序。每次異常返回時，調用ｒｆｉ指令，系統(tǒng)自動將ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，將ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序從ＳＲＲ０指向的位置繼續(xù)執(zhí)行。在發(fā)生異常和異常返回之間，不自動允許新的異常和中斷。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允許異常，在適當的時候允許中斷。
μＣ／ＯＳ－ＩＩ的異常處理過程中，用戶及ＯＳ與硬件無關的代碼完成圖２中①、②、③、④、⑤這五個步驟。依次完成以下任務：①給ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１或調用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系統(tǒng)已進入中斷；②分析中斷源調用相應中斷處理子程；③在該中斷處理子程中完成清中斷源；④進行其他中斷處理；⑤調用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判斷是否有更高優(yōu)先級的任務被激活而需要進行任務調度，若不需要，則直接從中斷返回；若需要，則調用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中斷級任務調度。 移植中，為了在ＭＰＣ５５５上實現上述中斷處理過程，需編寫與硬件相關代碼，為以上思路提供三個接口函數：進入中斷、退出中斷和中斷級任務調度。根據ＭＰＣ５５５的編程結構，設計的完整中斷程序流程如圖２。虛框Ⅰ部分寫在異常向量表中每個異常的處理代碼空間中，依次調用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三個函數。 其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函數為①到⑤步中斷處理子程提供調用接口。 虛框Ⅱ中為與硬件相關的函數Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它將發(fā)生中斷時所有寄存器保存到當前任務的堆棧中，并處理ＣＰＵ狀態(tài)。是ＯＳ進入中斷的接口函數。 虛框Ⅲ中為與硬件相關的函數Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它從當前任務（可能是中斷發(fā)生時的任務，也可能是新的被激活的任務）堆棧中恢復所有ＣＰＵ寄存器，并從中斷返回，是ＯＳ退出中斷的接口函數。 虛框Ⅳ中為與硬件和編譯器相關的函數ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務調整為當前任務，完成中斷級任務調度，隨后調用Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）退出中斷，進入新的被激活的任務。應注意，在中斷級任務調度過程中，①、⑤兩處Ｃ函數被調用后不需要返回，所以需要將堆棧指針ＳＰ向下做適當調整，以丟棄這兩個函數調用時編譯器產生的堆棧。Ｃ函數調用時，產生堆棧的大小與編譯器相關，因此應根據編譯器產生的代碼決定此處丟棄堆棧的大小。為保證異常時需要丟棄的堆棧大小不變，可使用圖２中的方法，在異常處理時另外調用函數完成步驟③、④，以確保不同異常處理過程中，①、⑤兩處Ｃ函數被調用時，編譯器建立的堆棧大小一致。 ３ 任務切換 μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任務調度由函數ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６系統(tǒng)上，ＯＳＳｃｈｅｄ?穴?雪在獲得當前新的最高優(yōu)先級的任務指針后，調用ＣＰＵ軟中斷完成任務切換。
在ＭＰＣ５５５上，可以用系統(tǒng)調用異常處理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替軟中斷。該異常處理程序如圖３所示，完成以下三個步驟：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中將當前任務運行環(huán)境保存到當前任務的堆棧中；②調用任務級調度函數ＯＳＣｔｘＳｗ（），將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務調整為當前任務；③從新任務堆棧中彈出所有寄存器的值，恢復中斷，完成任務切換。其中①、③兩部分代碼與中斷管理程序相同，不需要重新編寫，只需編寫函數ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任務指針的切換工作。 任務切換過程不可以被打斷，所以，上述過程中始終不能打開中斷。 ４ 時鐘管理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系統(tǒng)初始化后，開始一個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，它是ＯＳ系統(tǒng)的時間基準。該時鐘節(jié)拍一般由時間中斷產生。ＭＰＣ５５５中可產生時間節(jié)拍的模塊有很多，本次移植選用ＤＥＣ異常。因為它與外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高ＯＳ的穩(wěn)定性。 ＤＥＣ時鐘同步于ＴＭＢＣＬＫ，其頻率可選，本次移植設置為２．５ＭＨｚ。代碼在時鐘初始化和每次進入ＤＥＣ異常時，將ＤＥＣ計數器設置為２．５Ｍ／ＯＳ＿ ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，這樣，可使ＯＳ每秒種產生ＯＳ＿ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ個時鐘節(jié)拍。 ５ 應用方法 在使用移植后的ＯＳ時，用戶需要編寫自己的主程序ｍａｉｎ（），其流程如圖４。在適當的初始化后即可啟動ＯＳ。 另外，用戶需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務中啟動時鐘節(jié)拍，調用ＯＳＳｔａｔＩｎｉｔ（）函數初始化統(tǒng)計任務，創(chuàng)建所需的其他任務，最后調用ＯＳＴａｓｋＤｅｌ（）函數刪除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務自己。ＯＳ在該函數調用結束后，會自動允許異常和中斷，ＯＳ正常運轉，不斷調度任務，響應中斷。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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