目前,市場以及院校科研用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品,如Vxworks,Linux和Windows CE等都已經(jīng)相當(dāng)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(shí)時(shí)源代碼的公開操作系統(tǒng),內(nèi)核精簡,移植性較強(qiáng),非常適合用于一些小型控制和實(shí)驗(yàn)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(jí)的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),包含有任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步通信(信號(hào)量,郵箱,消息隊(duì)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(gè)源代碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),最多可以管理64個(gè)任務(wù),并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間的通信機(jī)制,同時(shí)用戶可以根據(jù)需求對(duì)內(nèi)核中的功能模塊進(jìn)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(gè)支持仿真的ARM7TDMI-SCPU,適用于為了各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用。該體系機(jī)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(gè)通用32位寄存器,6個(gè)狀態(tài)寄存器。LPC2378包含了1個(gè)10/100 EthernetMAC,USB 2.0全速接口,4個(gè)UART接口,2路CAN通道,1個(gè)SPI接口,2個(gè)同步串行端口(SSP),3個(gè)I2C接口,1個(gè)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(jí)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(gè),分別是軟保護(hù)、ITC和DSR。由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,因此最高優(yōu)先級(jí)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(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài),則中斷完成時(shí),中斷了的任務(wù)被掛起,優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)開始運(yùn)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(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù),或者說為每個(gè)任務(wù)分配CPU,并且負(fù)責(zé)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(shí)創(chuàng)建空閑任務(wù)OSTaskIdle(),并賦予最低的優(yōu)先級(jí)別和永遠(yuǎn)的就緒態(tài),同時(shí)完成任務(wù)控制塊(TCB)的初始化、TCB優(yōu)先級(jí)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(gè)新任務(wù),并給任務(wù)賦予一定的優(yōu)先級(jí),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(jí)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(jìn)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(duì)宏OS_STK_GRWOTH進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)。通過調(diào)用開關(guān)中斷2個(gè)宏來保護(hù)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(gè)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(duì)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)進(jìn)行分析和創(chuàng)建:
其他9個(gè)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(gè)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(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行:
3.4.2 時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序
μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源,以實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和超時(shí)確認(rèn)功能,時(shí)鐘節(jié)拍每秒發(fā)生10~100次。必須在開始多任務(wù)后,啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷,但由于Osatart()函數(shù)不會(huì)返回,用戶無法實(shí)現(xiàn)這一操作,所以可以在OSStart()運(yùn)行之后,μC/OS啟動(dòng)的第1個(gè)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(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時(shí),CPU會(huì)自動(dòng)把CPU寄存器推入堆棧,但并不包括存儲(chǔ)頁面寄存器PPAGE,如果單片機(jī)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(dāng)某任務(wù)的任務(wù)控制塊中時(shí)間延時(shí)項(xiàng)OSTCBDly減到了零,OSTi-mtick()就進(jìn)入了就緒態(tài)。OSIntExit()會(huì)調(diào)用中斷級(jí)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(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài),則CPU會(huì)返回中斷前狀態(tài)。
3.4.3 任務(wù)級(jí)任務(wù)切換
實(shí)際上任務(wù)級(jí)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(shí)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(shí)會(huì)自動(dòng)把斷點(diǎn)指針壓入堆棧的功能,把斷點(diǎn)指針存入堆棧,而利用中斷返回指令I(lǐng)RET,能把斷點(diǎn)指針推入CPU的PC寄存器功能,恢復(fù)待運(yùn)行任務(wù)的斷點(diǎn),這樣就可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)的保存和恢復(fù)。
3.4.4 中斷級(jí)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?yàn)镺SIntCtxSw()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?yàn)镮SR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(jìn)行操作系統(tǒng)移植時(shí),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(yùn)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(chǔ)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(huì)出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象,經(jīng)過測試與分析,主要有4個(gè)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(dǎo)致發(fā)生中斷后CPU無法運(yùn)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(huì)導(dǎo)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(gè)工作模式分配空間,導(dǎo)致任務(wù)切換時(shí),堆棧溢出;
(4)μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個(gè)時(shí)鐘資源來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍,時(shí)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(shí)鐘節(jié)拍中斷。通常的錯(cuò)誤是在調(diào)用OSlnit()和OSStart()之間允許時(shí)鐘節(jié)拍中斷,同時(shí)用戶不要單純地追求實(shí)時(shí)性,而將系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍頻率增加太高。以上幾個(gè)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(gè)部分:自啟動(dòng)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(gè)任務(wù)來驗(yàn)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(gè)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(yùn)行狀況。這樣做有2個(gè)原因:不希望將事情復(fù)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(cuò)誤產(chǎn)生,說明移植成功。
5 結(jié)語
μC/OS-Ⅱ具有很強(qiáng)的移植性,具有多任務(wù)實(shí)時(shí)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(jí)的芯片上,具有相當(dāng)?shù)纳虡I(yè)價(jià)值。