引言

　　為了便于操作系統(tǒng)在不同硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行移植，美國微軟公司首先提出了將底層與硬件相關(guān)的部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer,HAL）的思想。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統(tǒng)的通用程度，為嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。

1  μC/OS-II簡介

　　μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一種開發(fā)源碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可固化，可剪裁，具有高穩(wěn)定性和可靠性。它最鮮明的特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)。目前μC/OS-II版本2.52，通過了美國航空管理局的安全認(rèn)證，其穩(wěn)定性和可用性是經(jīng)過實(shí)踐的。μC/OS-II的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音像設(shè)備等。

2  硬件抽象層簡介

　　硬件抽象層隱藏特定平臺(tái)的硬件接口細(xì)節(jié),為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái),使其具有硬件無關(guān)性,可在多種平臺(tái)上進(jìn)行移植。它通過硬件抽象層接口向操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序提供對(duì)硬件進(jìn)行抽象后的服務(wù)。它主要有以下特點(diǎn)：

①  硬件相關(guān)性。作為操作系統(tǒng)與硬件之間的接口，硬件抽象層（HAL）必須為操作系統(tǒng)提供具體操作硬件的方法。
②  操作系統(tǒng)相關(guān)性。不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

　　硬件抽象層是一個(gè)處于硬件之上，操作系統(tǒng)之下的軟件層次。它主要功能包括：

①  對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化；
②  為操作系統(tǒng)提供各種操作硬件的接口函數(shù)。

　　系統(tǒng)硬件的初始化方法，主要由硬件廠家提供；操作系統(tǒng)的各種硬件接口函數(shù)和宏定義，則需要通過硬件和操作系統(tǒng)的使用者在熟悉了操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)后自行編寫。μC/OS-II需要完成的硬件接口主要包括：類型的定義、任務(wù)上下文切換、中斷處理、任務(wù)堆棧初始化和定時(shí)處理。

　　圖1為硬件抽象層的功能示意圖。

圖1  硬件抽象層功能示意圖

3  在LPC2292上構(gòu)建硬件抽象層

3.1  LPC2292簡介

　　LPC2292/LPC2294 微控制器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32 位ARM7TDMIS CPU，帶有256 KB 嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最高時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb 模式將代碼規(guī)模減小30%以上，而性能的損失卻很小。

　　由于LPC2292/LPC2294 的144 腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、8 通道10 位ADC、2/4 （LPC2292/LPC2294）高級(jí)CAN、PWM 通道以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷引腳，使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。LPC2292/LPC2294 含有76（使用了外部存儲(chǔ)器）到112 個(gè)（單片）可用GPIO 口。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及許多其他的應(yīng)用中。

3.2  類型定義

　　在將μC/OS-II移植到LPC2292處理器上時(shí),首先進(jìn)行基本配置和數(shù)據(jù)類型定義。重新定義數(shù)據(jù)類型是為了增加代碼的可移植性，因?yàn)椴煌木幾g器所提供的同一數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)長度并不相同，例如int型,在有的編譯器中是16 位,而在另外一些編譯器中則是32 位。所以,為了便于移植，需要重新定義數(shù)據(jù)類型。μC/OS-II類型定義如下：

　　typedef unsigned char BOOLEAN;/*布爾變量*/
　　typedef unsigned char INT8U;/*無符號(hào)8位整型變量*/
　　typedef signed char INT8S;/*有符號(hào)8位整型變量*/
　　typedef unsigned short INT16U;/*無符號(hào)16位整型變量*/
　　typedef signed short INT16S;/*有符號(hào)16位整型變量*/
　　typedef unsigned int INT32U;/*無符號(hào)32位整型變量*/
　　typedef signed intINT32S;/*有符號(hào)32位整型變量*/
　　typedef floatFP32;/*單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位長度）*/
　　typedef doubleFP64;/*雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位長度）*/
　　typedef INT32UOS_STK;/*堆棧是32位寬度*/

3.3  任務(wù)堆棧初始化

　　在μC/OS-II中，函數(shù)OSTaskStkInit（）對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化,在LPC2292中,任務(wù)堆棧空間由高到低依次為PC ,LR，R12 ,R11，…，R1，R0，CPSR，SPSR。 在進(jìn)行堆棧初始化以后,OSTaskStkInit ( ) 返回新的堆棧棧頂指針。圖2為任務(wù)堆棧增長的方向。其初始化過程如下：

　　*stk = (OS_STK) task;/*PC*/
　　*--stk = (OS_STK) task;/*LR*/　　//寄存器初始化R12到R1
　　*--stk = 0;/*R12*/
　　*--stk = 0;/*R1*/
　　*--stk = (OS_STK)pdata;/* R0,參數(shù)*/
　　*--stk = (USER_USING_MODE|0x00);/*SPSR，允許IRQ、FIQ中斷*/[!--empirenews.page--]

圖2  堆棧增長的方向

3.4  任務(wù)上下文切換

　　任務(wù)上下文管理負(fù)責(zé)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核中任務(wù)管理部分對(duì)任務(wù)寄存器上下文的創(chuàng)建、刪除以及切換等操作。任務(wù)的寄存器上下文是操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理的任務(wù)的重要組成部分，是CPU內(nèi)核的寄存器中內(nèi)容的映像，因此上下文管理的實(shí)現(xiàn)依賴于CPU 內(nèi)核中寄存器的組織，是與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。通用硬件抽象層的任務(wù)上下文管理統(tǒng)一定義體系結(jié)構(gòu)中的寄存器上下文的保護(hù)格式，提供了任務(wù)管理對(duì)任務(wù)上下文的基本操作的API接口。

　　μC/OS-II的任務(wù)切換其實(shí)就是通過改變PC中的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)的。將PC指向新任務(wù)開始運(yùn)行的地方，同時(shí)將當(dāng)前任務(wù)（被搶占任務(wù)）環(huán)境保存到相應(yīng)的任務(wù)堆棧中，將新任務(wù)環(huán)境從任務(wù)堆棧中恢復(fù)到相應(yīng)的寄存器中。

　　μC/OS-II用OS_TASK_SW（）完成任務(wù)級(jí)切換。將μC/OS-II移植到LPC2292上，其任務(wù)切換代碼如下：

　　;OS_TASK_SW
　　;/************************************************
　　;① 在當(dāng)前任務(wù)（被搶占任務(wù)）的堆棧保存當(dāng)前任務(wù)環(huán)境
　　;/************************************************
　　STMFDSP!, {LR};LR中其實(shí)是任務(wù)切換時(shí)對(duì)應(yīng)的PC值
　　STMFDSP!, {LR}
　　STMFDSP!, {R0?R12}
　　MRSR0,CPSR
　　STMFDSP!,{R0}
　　;/************************************************
　　;② 獲取當(dāng)前任務(wù)（被搶占任務(wù)）控制塊地址，地址在R0；獲取當(dāng)
　　;前任務(wù)（被搶占任務(wù)）SP地址，在R1；保存新SP到當(dāng)前任務(wù)（被
　　;搶占任務(wù)）的TCB
　　;/************************************************
　　LDRR0,=OSTCBCur
　　LDRR1,[R0]
　　STRSP,[R1]
　　;/**********************************************
　　;③ 獲取新最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)控制塊地址，保存最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)
　　;地址到當(dāng)前任務(wù)地址
　　;/************************************************
　　LDRR2,=OSTCBHighRdy
　　LDRR1,[R2]
　　STRR1,[R0]
　　;/************************************************
　　;④ 獲取當(dāng)前新任務(wù)SP
　　;/************************************************
　　LDRSP,[R1]
　　;/************************************************
　　;⑤ 恢復(fù)任務(wù)環(huán)境
　　;/************************************************
　　LDMFDSP!,{R0}
　　MSRSPSR_csxf,R0
　　LDMFDSP!,{R0?R12,PC}^

3.5  中斷結(jié)構(gòu)和中斷處理程序的設(shè)計(jì)

　　中斷結(jié)構(gòu)和中斷處理程序的設(shè)計(jì)是嵌入式操作系統(tǒng)HAL中最重要的組成部分。中斷機(jī)制是操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備通信、任務(wù)系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)行出錯(cuò)處理，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度的重要手段。因此，硬件抽象層中斷系統(tǒng)的管理部分是整個(gè)硬件抽象層中的關(guān)鍵。

　　μC/OS-II采用了二次跳轉(zhuǎn)的辦法。首先在ARM處理器定義的中斷向量處安放跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到指定位置后，再進(jìn)行位置的第二次映射。其中位置的映射是通過一個(gè)匯編定義的宏來實(shí)現(xiàn)的。將μC/OS-II移植到LPC2292中，其宏匯編的定義如下：

MACRO
　　$IRQ_Label HANDLER $IRQ_Exception_Function
　　EXPORT$IRQ_Label; 輸出的標(biāo)號(hào)
　　IMPORT$IRQ_Exception_Function; 引用的外部標(biāo)號(hào)

$IRQ_Label
　　SUBLR, LR, #4; 計(jì)算返回地址
　　STMFDSP!, {R0?R3, R12, LR}; 保存任務(wù)環(huán)境
　　MRSR3, SPSR; 保存狀態(tài)
　　STMFDSP, {R3, SP, LR}^; 保存用戶狀態(tài)的R3、SP、LR，注意不能回寫
　　BL$IRQ_Exception_Function; 調(diào)用C語言的中斷處理程序
　　;/************************************************
　　;比較當(dāng)前任務(wù)控制塊和最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)控制塊是否一致，如果一致則直接恢復(fù)任務(wù)環(huán)境；否則，在中斷退出時(shí)需要進(jìn)行任務(wù)切換，CPU將運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，而不是中斷前運(yùn)行的任務(wù)
　　;***********************************************
　　LDRR0, =OSTCBHighRdy
　　LDRR0, [R0]
　　LDRR1, =OSTCBCur
　　LDRR1, [R1]
　　CMPR0, R1
　　ADDSP, SP, #4*3
　　MSRSPSR_cxsf, R3
　　LDMEQFDSP!, {R0?R3, R12, PC}^; 恢復(fù)環(huán)境
　　LDRPC, =OS_TASK_SW; 調(diào)用進(jìn)行任務(wù)切換
MEND

　　為了使用ISR的匯編宏，每個(gè)受μC/OS-II管理的ISR都必須按宏匯編要求的格式，在文件IRQ.S中定義：

　　XXXX_HANDLERHANDLERXXXX_Exception

　　其中：

　　XXXX_HANDLER是ISR的起始地址，即匯編宏的起始地址，在初始化向量中斷控制器時(shí)作為中斷向量的地址使用。用戶按中斷源來命名，即把其中的XXXX換為具體的中斷源名稱。

　　XXXX_Exception是用戶用C語言實(shí)現(xiàn)編寫的功能函數(shù)名。該函數(shù)供匯編宏調(diào)用，用戶可以按實(shí)際的中斷源來命名，即把XXXX換為具體的中斷源名稱。

3.6  定時(shí)管理

　　μC/OS-II需要一個(gè)周期性的中斷源來產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。μC/OS-II利用了LPC2292的Timer0作為定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍。其實(shí)現(xiàn)步驟為:

　　添加中斷句柄Timer0_HandlerHANDLER Timer0_Exception配置中斷源定時(shí)器T0IR = 0xffffffff;T0TC = 0;T0TCR = 0x01;T0MCR = 0x03;T0MR0 = (Fpclk / OS_TICKS_PER_SEC);配置向量中斷控制器extern void Timer0_Handler(void);VICVectAddr0 = (uint32)Timer0_Handler;VICVectCntl0 = (0x20 | 0x04);使能中斷VICIntEnable = 1<<4;

4  總結(jié)

　　硬件抽象層的出現(xiàn)，使得嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者不需要考慮嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境差異較大的問題，可以專心設(shè)計(jì)通用的操作系統(tǒng)，而將與硬件的接口部分留給硬件抽象層來實(shí)現(xiàn)，這樣大大提高了嵌入式操作系統(tǒng)在不同硬件平臺(tái)之間的移植能力。本文基于LPC2292硬件平臺(tái)，詳細(xì)介紹了μC/OS-II的硬件抽象層的構(gòu)建方法，對(duì)其向其他平臺(tái)的移植提供了參考。