uC/OS-II在EP7312上的移植
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng) μC/OS-II EP7312
引 言
隨著Internet和后PC時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，嵌入式產(chǎn)品在人們的生活中無(wú)處不在。今天，嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)1萬(wàn)億美元，已經(jīng)在IT產(chǎn)業(yè)中占有很大的比重。
通常，應(yīng)用程序?qū)η度胧杰浖幕疽笫求w積小、執(zhí)行速度快、具有較好的裁減性和可移植性。嵌入式軟件的靈魂是嵌入式操作系統(tǒng)。在特定的操作系統(tǒng)之上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，可以讓程序開(kāi)發(fā)人員屏蔽掉很多低層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序調(diào)試方便、移植簡(jiǎn)單、易維護(hù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期也短。目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很多，如VxWorks、Window CE、pSOS、QNX、LynxOS等等。這些操作系統(tǒng)都具有高可靠性、很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，但它們都是商業(yè)操作系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，人們往往很難接受。μC/OS-II的出現(xiàn)是對(duì)這些商業(yè)操作系統(tǒng)的一個(gè)很大的沖擊。μC/OS-II是源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一個(gè)自由操作系統(tǒng)。程序開(kāi)發(fā)人員可以改寫(xiě)源代碼，使之符合自己的要求。裁減掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活，并且能滿(mǎn)足用戶(hù)特定操作系統(tǒng)的需要。
1 μC/OS-II簡(jiǎn)介
μC/OS-II并非一個(gè)完整的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它只是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核。μC/OS-II不像其它實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一樣，提供給用戶(hù)的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，程序開(kāi)發(fā)人員利用操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。要想在μC/OS-II內(nèi)核上進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，就需要程序開(kāi)發(fā)人員在實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上建立自己的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。首先，把μC/OS-II移植到自己的硬件目標(biāo)板上，寫(xiě)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序以及用戶(hù)圖形界面等等；在這些接口函數(shù)之上，加上用戶(hù)自己的應(yīng)用程序，就構(gòu)成了嵌入式軟件。
2 μC/OS-II在EP7312上的移植
μC/OS-II的移植條件是：只要該處理器有堆棧，有CPU內(nèi)部寄存器入棧、出棧指令；使用的C編譯器支持內(nèi)嵌匯編（inline assembly）或者該C語(yǔ)言可擴(kuò)展，可連接匯編模塊，使得關(guān)中斷、開(kāi)中斷能在C語(yǔ)言程序中實(shí)現(xiàn)。Cirrus Logic公司生產(chǎn)的EP7312芯片內(nèi)部采用的是ARM720T處理器，內(nèi)部有37個(gè)寄存器。其中R13通常用作堆棧指針。堆棧尋址是隱含的，堆棧指針?biāo)付ǖ拇鎯?chǔ)單元就是堆棧的棧頂，堆棧尋址通常有兩種方式向上生長(zhǎng)和向下生長(zhǎng)。ARM處理器有ARM和Thumb兩種指令集。每種指令集都有豐富的指令可以對(duì)堆棧進(jìn)行操作。堆棧指針指向最后壓入堆棧的有效數(shù)據(jù)，稱(chēng)為滿(mǎn)堆棧（full stack）；堆棧指針指向下一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)放入的空位置，稱(chēng)為空堆棧（empty stack）。根據(jù)堆棧的生長(zhǎng)方向不同，可以生成4種類(lèi)型的堆棧，即滿(mǎn)遞增、空遞增、滿(mǎn)遞減、空遞減。我們所使用的ARM SDT（ARM Software Development Kit）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)內(nèi)含的編譯器，同樣也支持內(nèi)嵌匯編，所以μC/OS-II完全可以移植到EP7312上。
μC/OS-II核心代碼很小，程序開(kāi)發(fā)人員要把它移植到自己的目標(biāo)板中只需做少量的工作。圖1是μC/OS-II硬件和軟件的體系結(jié)構(gòu)。
雖然μC/OS-II大部分源代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，但是完成和處理器一些有關(guān)的代碼時(shí)，還是必須要用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寄存器的讀、寫(xiě)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言的存儲(chǔ)和加載指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。要使μC/OS-II能夠正常工作， 處理器必須滿(mǎn)足以下要求：
?、?處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；
?、?用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷；
?、?處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10~100Hz之間）；
?、?處理器能夠支持容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；
?、?處理器有將堆棧指針和其它寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。
μC/OS-II的移植包括以下幾個(gè)部分。
（1）設(shè)置與編譯器有關(guān)的代碼[OS_CPU.H]
在不同的處理器中有不同的字長(zhǎng)，所以必須定義一系列數(shù)據(jù)類(lèi)型以確保移植的正確性。另外，在μC/OS-II中，不使用C的short、int和long等數(shù)據(jù)類(lèi)型，這些都是和編譯器相關(guān)的。下面就是μC/OS-II定義的一部分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型。
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U; /*無(wú)符號(hào)8位整數(shù) */
typedef signed char INT8S; /*有符號(hào)8位整數(shù) */
typedef unsigned int INT16U; /*無(wú)符號(hào)16位整數(shù) */
typedef signed int INT16S; /*有符號(hào)16位整數(shù) */
typedef unsigned long INT32U; /*無(wú)符號(hào)32位整數(shù) */
typedef signed long INT32S; /*有符號(hào)32位整數(shù) */
typedef float FP32; /*單精度浮點(diǎn)數(shù) */
typedef double FP64; /*雙精度浮點(diǎn)數(shù) */
μC/OS-II需要先禁止中斷訪(fǎng)問(wèn)代碼的臨界區(qū)，并且在訪(fǎng)問(wèn)完畢后重新允許中斷。μC/OS-II定義了兩個(gè)宏來(lái)禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
#define OS_ENTER_CRITICAL() IRQFIQDE
#define IRQFIQDE __asm
{
mrs r0, CPSR;
stmfd sp!, {r0};
orr r0, r0, #NOINT;
msr CPSR_c, r0;
}
#define OS_EXIT_CRITICAL() IRQFIQRE
#define IRQFIQRE __asm
{
ldmfd sp!, {r0};
msr CPSR_c, r0;
}
#endif
（2）編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)[OS_CPU_A.S]
μC/OS-II的移植實(shí)例要求用戶(hù)編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)：
OSStartHighRdy()
OSCtxSw()
OSIntCtxSw()
UCOS_IRQHandler
詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）。
（3）用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù)[OS_CPU_C.C]
這6個(gè)函數(shù)是：
OSTaskStkInit（）
OSTaskCreatHook（）
OSTaskDelHook（）
OSTaskSwHook（）
OSTaskStatHook（）
OSTaskTickHook（）
這6個(gè)函數(shù)只對(duì)OSTaskStkInit（）編寫(xiě)代碼，后5個(gè)函數(shù)必須聲明，但是內(nèi)部并沒(méi)有代碼。OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）通過(guò)調(diào)用OSTaskStkInit（）來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)。這個(gè)函數(shù)的移植代碼，可參考文獻(xiàn)[3]。
3 測(cè)試、編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序
做完以上工作以后，就要測(cè)試移植的是否正確。測(cè)試一個(gè)μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核并不復(fù)雜，就是讓這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核在自己的目標(biāo)板上跑起來(lái)。開(kāi)始時(shí)，可以運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的任務(wù)和時(shí)鐘節(jié)拍中斷任務(wù)，如果調(diào)試成功就可以在上面添加應(yīng)用程序。
μC/OS-II移植完成以后，就要在這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核之上編寫(xiě)接口驅(qū)動(dòng)程序。由于嵌入式操作系統(tǒng)體積更小，功能更強(qiáng)，且快速、穩(wěn)定，更具有針對(duì)性，因此不像其它操作系統(tǒng)那樣，對(duì)系統(tǒng)的所有接口設(shè)備都需要驅(qū)動(dòng)、管理、調(diào)度和監(jiān)視。由于嵌入式產(chǎn)品是針對(duì)特殊的用途而設(shè)計(jì)的，有很強(qiáng)的專(zhuān)一性，因此，在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)內(nèi)容更精簡(jiǎn)，更具有穩(wěn)定性，編寫(xiě)出的驅(qū)動(dòng)模塊更小。編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)完成以下基本功能：①對(duì)設(shè)備初始化和釋放；②把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；③讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；④檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。實(shí)現(xiàn)了以上功能以后，一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)就基本構(gòu)成了。
完成了μC/OS-II的移植和驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)以后，利用操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)編寫(xiě)應(yīng)用程序，調(diào)用μC/OS-II中與應(yīng)用程序相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)。調(diào)試通過(guò)后，固化到目標(biāo)板上，這個(gè)嵌入式應(yīng)用軟件就完成了。
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