操作系統(tǒng)Nucleus PLUS在S3C2410A開發(fā)板上的應用研究

引言

Nucleus PLUS是美國ATI 公司為實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)應用設計的操作系統(tǒng)內(nèi)核。約95%的Nucleus PLUS代碼用ANSI C語言編寫，因此，非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的微處理器，如X86、68K、PowerPC、MIPS、ARM等。經(jīng)過截減編譯后，Nucleus PLUS 核心代碼區(qū)一般不超過20KB大小。 同時提供TCP/IP網(wǎng)絡、圖形界面Grafix、文件系統(tǒng)File等模塊。還有一個特點就是免費提供源代碼，有利于節(jié)省開發(fā)費用。

S3C2410A是三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核高性能低功耗16/32位RISC微控制器，內(nèi)部集成了豐富的系統(tǒng)外圍控制器。配合Nucleus PLUS操作系統(tǒng)可方便地開發(fā)出適于手持設備和各種低功耗產(chǎn)品的應用程序，加快新產(chǎn)品的上市時間。

Nucleus PLUS啟動過程

嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核Nucleus PLUS的啟動過程如圖1所示。其中板級初始化（INT_Initialize）主要是完成中斷向量表、系統(tǒng)堆棧、時鐘中斷等基本硬件初始化；操作系統(tǒng)初始化（INC_Initialize）主要是完成郵箱、隊列、管道、信號量、事件集等軟件組件初始化；應用程序初始化（Application_Initialize （first_available_memory））主要是完成用戶定義的應用程序初始化，如創(chuàng)建內(nèi)存池，創(chuàng)建任務、創(chuàng)建信號量、創(chuàng)建中斷、編寫用戶應用程序等。移植的過程中，需要修改的是板級初始化（INT_Initialize）這部分內(nèi)容，它是由ARM匯編語言編寫的，下面詳細敘述。

圖1 Nucleus PLUS 啟動過程

Nucleus PLUS移植過程

INT-Reset子程序修改

INT_Reset是Nucleus PLUS啟動時的程序入口，因為根據(jù)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)硬件上電或復位后，ARM所執(zhí)行的第一條指令在地址0x00000000，即ARM的復位異常（Reset）向量地址，所以在這個地址要放置一個跳轉(zhuǎn)指令：B INT_Reset 。

在INT_Reset這個子程序中放置的是硬件初始化程序，完成兩個功能：

1. 改變ARM工作模式為管理模式（Supervisor Mode），管理模式是ARM提供給操作系統(tǒng)使用的一種保護模式；

2. 屏蔽FIQ和IRQ中斷，因為在整個系統(tǒng)初始化的過程中，不能被中斷打斷，只有在中斷服務子程序初始化結(jié)束后，才可以打開中斷，進而響應中斷。

INT_Reset

MRS R1，CPSR

BIC R1，R1，#MODE_MASK

ORR R1，R1，#SUP_MODE

ORR R1，R1，#LOCKOUT

MSR CPSR_cxsf，R1

建立異常向量表和中斷向量表

根據(jù)ARM的體系結(jié)構(gòu)，ARM有7種類型的異常（Exception），每種異常都有各自入口地址，即異常向量表（Exception Vectors）。異常向量表放置在從0X00000000地址開始，連續(xù)32字節(jié)的空間內(nèi)。S3C2410A共有56個中斷源，但有些中斷源共用一個中斷向量，所以只要求創(chuàng)建包含32個中斷源的中斷向量表。

INT_Vectors

LDR PC， INT_Reset_Addr

LDR PC， INT_Undef_Addr

LDR PC， INT_Software_Addr

LDR PC， INT_Prefetch_Addr

LDR PC， INT_Data_Addr

LDR PC， INT_Reserved_Addr

LDR PC， INT_IRQ_Addr

LDR PC， INT_FIQ_Addr

配置存儲器控制器和MMU

MMU（Memory Manage Unit）是存儲器管理單元的縮寫，用來實現(xiàn)虛擬地址到實際物理地址的映射。它是ARM的一部分，本身有少量存儲空間放置從虛擬地址到物理地址的匹配表，即轉(zhuǎn)換旁置緩沖區(qū) （TLBs－Translation Lookaside Buffers）。MMU實現(xiàn)兩個主要功能，將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址和控制存儲器的存取使能。

通過配置S3C2410A的存儲器控制器來初始化S3C2410A目標板的外圍存儲器。主要是設置存儲器類型、總線寬度、信息，重點是對SDRAM進行設置，如列地址數(shù)、信號線時序等。

堆棧初始化

C和ARM匯編源文件經(jīng)過ARM開發(fā)環(huán)境ADS1.2編譯鏈接后，生成的映像（Image）文件包含RO（只讀代碼、數(shù)據(jù)段）、RW（可讀寫數(shù)據(jù)段）和ZI（將要初始化為0的段）三個輸出段。當映像文件加載到flash中的時，RO段和RW段在Flash中的位置見圖2（a），其中|Image$$RO$$Base|是RO段的開始地址，也是包含RO輸出段的加載和執(zhí)行地址，可以在ARM Linker中設置，即-ro-base的值，從flash啟動時，這個值設置為0x00000000，ZI段不需要加載到flash中。當硬件電路復位后，映像文件中的RW段需要從Flash中拷貝到SDRAM內(nèi)，同時要將ZI輸出段的內(nèi)容需要用“0”進行初始化，此時輸出段在存儲區(qū)內(nèi)的位置見圖2（b）。|Image$$RW$$Base|是包含RW輸出段的執(zhí)行地址，這個地址值也需要在ARM Linker中設置，即-rw-base的值，一般將-rw-base的值設置到SDRAM的地址范圍內(nèi)，在這里設置為SDRAM的首地址0x30000000。在Nucleus PLUS移植的過程中要編寫代碼，完成以上操作過程。

圖2 加載和執(zhí)行時存儲區(qū)分布

ARM有7種運行模式分別為：用戶模式（usr）、快速中斷模式（fiq）、外部中斷模式（irq）、管理模式（svc）、數(shù)據(jù)訪問中止模式（abt）、系統(tǒng)模式（sys）和未定義指令中止模式（und）。在堆棧初始化時，應對S3C2410A的每種運行模式分別設置堆棧，一般堆棧的大小可以設置為4KB。另外還要對HISR（High-Level Interrupt Service Routines）堆棧的起始地址、大小和優(yōu)先級進行設置，它的堆棧大小可設為2KB。

中斷初始化

1. 將Nucleus PLUS異常中斷向量表從ROM中復制到RAM中，即：將地址為0x00000000的異常中斷向量表復制到地址0x33FFFF00處，這樣在中斷響應的過程中就可以從RAM中提取異常中斷向量表，提高中斷的響應速度；

2. 關閉看門狗時鐘，創(chuàng)建所有IRQ中斷的中斷向量表；

3. 清除所有中斷的判斷位。

系統(tǒng)時鐘中斷初始化

因為Timer4是用來作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)時鐘的，所以在嵌入式實時操作系統(tǒng)移植的過程中，一定要對它的時鐘中斷進行配置，配置過程如下：

1. 設置S3C2410A的內(nèi)部定時器Fimert定時器的中斷周期為10ms；

2. 建立Timer4的中斷向量，用Timer4時鐘作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)節(jié)拍時鐘；

3. 初始化S3C2410A的MPLL控制寄存器MPLLCON，將S3C2410A的主時鐘FCLK設置為266MHz；

4.設置分頻器寄存器CLKDIVN使HCLK = FCLK/2，PCLK = HCLK/2。

設置系統(tǒng)可用存儲區(qū)的首地址

在板級初始化程序（INT_ Initialize）結(jié)束后，系統(tǒng)開始調(diào)用操作系統(tǒng)初始化程序（INC_Initialize）。這時需要設置可供用戶使用的存儲器首地址first_available_memory，令first_available_memory= |Image$$bss$$ZI$$Limit|，其中|Image$$bss$$ZI$$Limit|是ARM鏈接器生成的可執(zhí)行映像文件中初始化為0段（ZI段）的終止地址。修改后調(diào)用程序INC_Initialize（VOID *first_available_memory），即進入操作系統(tǒng)初始化。Nucleus PLUS的移植工作也宣告結(jié)束。

結(jié)語

本文詳細介紹了Nucleus PLUS在S3C2410A上的移植過程和方法，移植后的代碼在深圳優(yōu)龍科技有限公司的FS2410開發(fā)板上運行正常，可以實現(xiàn)多任務調(diào)度、任務間通信和中斷響應。因為移植過程是針對特定的硬件環(huán)境的，所以移植中要采用ARM匯編語言，這是嵌入式操作系統(tǒng)移植的難點。移植的重點是建立中斷向量表、創(chuàng)建操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘中斷和設置系統(tǒng)堆棧。本文論述的移植方法對其他嵌入式操作系統(tǒng)在ARM微處理器上的移植過程也有一定的借鑒價值。

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