MC9S12DG128 的體系結(jié)構(gòu)分析 μC/OS-II的移植過程

1 引言

在采用前后臺系統(tǒng)軟件設(shè)計模式的嵌入式系統(tǒng)中，主程序是一個無限循環(huán)，單任務(wù)順序執(zhí)行，通過設(shè)置一個或多個中斷來處理異步事件。這種系統(tǒng)對于簡單的應(yīng)用是可以?的，但對于實(shí)時性要求比較高的、處理任務(wù)較多的應(yīng)用，就會暴露出實(shí)時性差、系統(tǒng)可靠性低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。μC/OS-II 是一個源代碼公開、可移植、可裁剪的實(shí)時多任

務(wù)操作系統(tǒng)，具有低成本、穩(wěn)定可靠、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，是專門針對微處理器和微控制器設(shè)計的實(shí)時內(nèi)核，它的內(nèi)核可以做到很小，很適合在單片機(jī)系統(tǒng)上移植。移植了μC/OS-II 的嵌入式系統(tǒng)可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。本

文選用飛思卡爾(Freescale)公司的16 位單片機(jī)MC9S12DG128 作為硬件平臺，針對MC9S12DG128 的存儲器組織和體系結(jié)構(gòu)，對μC/OS-II 源代碼作了相應(yīng)的改寫，最終實(shí)

現(xiàn)了μC/OS-II 操作系統(tǒng)在MC9S12DG128 上的移植。通過μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植，可以掌握移植和測試μC/OS-II 的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，同時也很容易將其移植到其它的CPU 平臺上。

2 MC9S12DG128 的體系結(jié)構(gòu)(存儲器的組織)

作者認(rèn)為深刻理解MC9S12DG128 微控制器的體系結(jié)構(gòu)和存儲器組織是移植成功的一個關(guān)鍵步驟。MC9S12DG128 是16 位的高性能單片機(jī)，它具有極低的電源功耗和可高達(dá)

25MHz 的內(nèi)部總線頻率，片內(nèi)資源包括1KB 的內(nèi)部寄存器、8KB RAM、128KB FLASH、2KBEEPROM。MC9S12DG128 采用普林斯頓總線結(jié)構(gòu)，程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和I/O 端口為統(tǒng)一編址方式，總的尋址空間為64 KB，但DG128 內(nèi)部有128KB Flash，顯然存儲空間超過了S12MCU 可尋址的64KB 空間，因此引入了頁面訪問機(jī)制，S12CPU 在內(nèi)存的$8000～$BFFF 這一段開了一個窗口，這里有8 個16KB 的頁面(其中$3E 和$3F 有固定地址)，可以通過頁面寄存器(PPAGE)選擇其中的一頁。對于64KB 以外的存儲區(qū)，應(yīng)用專用指令CALL 調(diào)用子程序，然后通過RTC 指令返回。

微控制器內(nèi)部不同的存儲器占用不同的存儲空間，也就是說，不同的地址范圍，它們均占據(jù)特定的地址空間，這些存儲器和內(nèi)部集成模塊的地址分配并不是固定不變的，用戶自己可以重新分配，但建不要輕易改動默認(rèn)的映射空間，應(yīng)直接采用默認(rèn)地址映射空間。圖1 是MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分配情況。其中，地址$0000～$03FF 為1KB 寄存器空間; $0000～$1FFF 為8KB RAM(可見7KB);$0000～$07FF 為2KBEEPROM(不可見)。

圖1 MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分布情況

可以通過設(shè)置INITRG，INITRM，INIteE 寄存器來重新分配各存儲器的位置。這些寄存器只能寫一次，建議在初始化時分配存儲器的位置。如果映射出現(xiàn)地址重疊時，S12CPU 內(nèi)部的優(yōu)先級控制邏輯會自動屏蔽級別較低的資源，保留級別最高的資源。寄存器具有最高優(yōu)先級，與其重疊的RAM 和EEPROM 此時無效。存儲器的優(yōu)先級如下表所列。

3 μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植

μC/OS-II 運(yùn)行時要占用一部分ROM 和RAM 空間，但μC/OS-II 操作系統(tǒng)內(nèi)核目標(biāo)代碼最小可以裁剪到小于2KB，MC9S12DG128 有8KB 的RAM 存儲器和128KB 的Flash 存

儲器，所以μC/OS-II 操作系統(tǒng)完全可以移植并運(yùn)行在MC9S12DG128 上。

μC/OS-II 的95%代碼是由ANSI C 寫成的，具有很好的移植性。要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II向S12 的移植，主要是做兩方面的工作，一是重新定義內(nèi)核的大小和功能;二是為內(nèi)核編寫與硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)

可以看到，μC/OS-II 與CPU 類型無關(guān)的C 代碼文件包括很多文件，它們是μC/OS-II的內(nèi)核和很多功能函數(shù)，其中OS_CORE.C、OS_TIME.C 和OS_TASK.C 這三個文件是一定要用的，其他幾個文件用于任務(wù)間通信，應(yīng)用程序中可能只用到其中的幾個，不用的可以不包含進(jìn)去，以避免編譯時生成沒有代碼。這部分代碼與CPU 類型無關(guān)，在移植時，這些文件一個也不要動。

與CPU 類型有關(guān)的代碼文件主要有：OS_CFG.H、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPUC.C。OS_CFG.H 是配置文件，需要根據(jù)應(yīng)用配置，主要作用是確定用戶應(yīng)用程序使用μC/OS-II 提供的哪些系統(tǒng)功能函數(shù)，這個文件移植時要修改。OS_CPU.H 文件定義用于特定CPU 的數(shù)據(jù)類型、定義相關(guān)的宏。OS_CPU_A.ASM 是用匯編語言寫的硬件有關(guān)的代碼，OS_CPUC.C 文件是用C 語言寫的與硬件有關(guān)的代碼。如果移植使用的C 交叉編譯工具在C 代碼中可以插入?yún)R編語句，那么在移植中，可以將OS_CPU_A.ASM 合到S_CPUC.C文件中。

3.1 重新定義內(nèi)核的大小和功能

公共頭文件INCLUDES.H，這個文件會被所有的C 源程序引用。在本例中此文件的代碼如下。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

前四個頭文件是C 函數(shù)庫、預(yù)定義的類型等，和移植沒有關(guān)系，是否一定要加取決于所用的編譯器。后三個頭文件必須被引用，用戶可以添加自己的頭文件，但一定要放

在最后面。

需要根據(jù)應(yīng)用修改的文件是OS_CFG.H，這個文件用于配置內(nèi)核的屬性。用于設(shè)置與微控制器CPU 核心相關(guān)的屬性，包括各種數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的存儲長度等等。OS_CPU.H 包括了用#define 語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏及類型等。因?yàn)椴煌奶幚砥饔胁煌淖珠L，所以μC/OS-II 的移植包括的一系列數(shù)據(jù)類型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II 代碼不使用語言中的short，int，及l(fā)ong 等數(shù)據(jù)類型，因?yàn)樗鼈兪桥c編譯器相關(guān)的，是不可移植的。采用定義的整形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等既是可移植的，又很直觀。

typedef unsigned char BOOLEAN; /* 布爾變量*/

typedef unsigned char INT8U; /* 無符號8 位整型變量*/

typedef signed char INT8S; /* 有符號8 位整型變量 */

typedef unsigned int INT16U; /* 無符號16 位整型變量*/

typedef signed int INT16S; /* 有符號16 位整型變量*/

……

用戶還必須將任務(wù)堆棧的數(shù)據(jù)類型告訴給μC/OS-II。S12CPU 的是堆棧是16 位的，所以定義OS_STK 為INT16U。所有的任務(wù)堆棧都必須用OS_STK 來聲明數(shù)據(jù)類型。

#define OS_STK INT16U /* 堆棧是16 位寬度*/

對于不同的處理器而言，數(shù)據(jù)入堆棧時堆棧指針的增長方向也是不一樣的，MC9S12DG128 單片機(jī)的堆棧指針是由高地址向低地址增長的，所以，要預(yù)先設(shè)定堆棧的

增長方向:

#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧指針由高地址向低地址增長*/

μC/OS-II 需要先禁止中斷再訪問代碼的臨界段，并且在訪問完畢后重新允許中斷。這就使得μC/OS-II 能夠保護(hù)臨界段代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程的破壞。禁止和允許中斷的宏是OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，定義這兩個宏的有三種方法，移植時采用的是方法1，進(jìn)入臨界代碼前關(guān)中斷，脫離臨界代碼后開中斷[2]。方法1在OS_CPU.H 中是這樣定義的：

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1 //方法一

#define OS_ENTER_CRITICAL( ) asm SEI

#defien OS_EXIT_CRITICAL () asm CLI

#endif

3.2 編寫與硬件相關(guān)的代碼

接下來需要編寫與硬件相關(guān)的代碼。這部分代碼可以用C 語言，也可以用匯編語言。移植中與硬件相關(guān)的文件中最主要的是OS_CPU_C.C 和匯編文件OS_CPU_A.ASM。由于移植使用的是Metrowerks 公司提供的CodeWarrior CW12 V4.6 版本的C 交叉編譯工具，而CW12 V4.6 允許在C 代碼中插入?yún)R編語句，所以可以把OS_CPU_A.ASM 這個文件合并

到OS_CPU_C.C 文件中去。以下是具體的移植過程。

3.2.1 中斷服務(wù)子程序OSTickISR()

中斷服務(wù)子程序所使用的中斷可以用實(shí)時時鐘產(chǎn)生，也可以用單片機(jī)片內(nèi)的定時器模塊來產(chǎn)生。本次移植采用的是用模數(shù)計數(shù)器產(chǎn)生精確時鐘節(jié)拍中斷，用S12 的模數(shù)計數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)任意時間的精確中斷，這里的中斷為每秒30 次。

時鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時，CPU12 會自動CPU 把CPU 寄存器推入堆棧，然后是清中斷標(biāo)志。但是頁面寄存器PPAGE 并沒有被推入堆棧，如果CPU12 的尋址范圍超過了64KB，則要把PPAGE 也推入堆棧，本文中沒有用到PPAGE 寄存器。

時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序可能激活一個優(yōu)先級高于當(dāng)前被中斷任務(wù)的優(yōu)先級的任務(wù)。時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序要連續(xù)調(diào)用：OSIntEnter()、OSTimerTick()和OSIntExit()

這三個函數(shù)。OSIntEnter()通知μC/OS-II 進(jìn)入中斷服務(wù)子程序了。OSTimerTick()給要求延遲若干時鐘節(jié)拍的任務(wù)延遲計數(shù)器減1，減1 后為0 則該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。

OSIntExit()函數(shù)告訴μC/OS-II 時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序結(jié)束了，如果這時有更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，OSIntExit()就會調(diào)用中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()

做任務(wù)切換，以便讓更高的優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行。以下是函數(shù)代碼：

void OSTickISR(void)

{

/*根據(jù)需要決定是否保存PPAGE 寄存器，此處沒有保存*/

OSIntEnter();

MCFLG_MCZF=1; //清除模計數(shù)器中斷標(biāo)志位

OSTimeTick();

OSIntExit(); //退出中斷并進(jìn)行任務(wù)切換

}

3.2.2 任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()

這個C語言寫的函數(shù)是與CPU硬件相關(guān)的。這個函數(shù)初始化任務(wù)的堆棧，由建立任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate()或擴(kuò)展的建立任務(wù)函數(shù)OSTaskCreatExit()調(diào)用。建立任務(wù)的函數(shù)帶有4個形式參數(shù)，擴(kuò)展的建立任務(wù)的函數(shù)有8個參數(shù)。其中pdata用于向任務(wù)傳遞參數(shù)。利用了這個參數(shù)將頁面寄存器PPAGE 參數(shù)傳給建立的任務(wù)。在改寫該函數(shù)的時候一定要深刻了解S12CPU在中斷發(fā)生時各個CPU寄存器的入棧的順序，否則，μC/OS-II是運(yùn)行不起來的。中斷發(fā)生時S12CPU各個寄存器入棧的順序如圖3所示。由于該函數(shù)是被建立任務(wù)的函數(shù)所調(diào)用的，所以各個CPU寄存器的初始值并不重要。但要CCR寄存器的內(nèi)容需要注意：如果選擇任務(wù)啟動后允許中斷發(fā)生，則所有的任務(wù)運(yùn)行期間中斷都允許;同樣，如果選擇任務(wù)啟動后禁止中斷，則所有的任務(wù)都禁止中斷發(fā)生，而不能有所選擇。本文選擇在任務(wù)啟動時開啟中斷。以下是函數(shù)代碼：

void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)

{

INT16U *stk;

pt = opt; // 'opt'未使用,此處可防止編譯器的警告

stk = (INT16U *)ptos; //載入堆棧指針

*--stk = (INT16U)(pdata); //放置向函數(shù)傳遞的參數(shù)pdata

*--stk = (INT16U)(task); //函數(shù)返回地址PC

*--stk = (INT16U)(0x1122); //寄存器 Y

*--stk = (INT16U)(0x3344); //寄存器 X

((INT8U *)stk)--; // 寄存器A 僅需要1 個字節(jié)

*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x55); //寄存器 A

((INT8U *)stk)--; // 寄存器B 僅需要1 個字節(jié)

*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x66); //寄存器 B

((INT8U *)stk)--; // 寄存器CCR 僅需要1 個字節(jié)

*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x00); //寄存器 CCR，開中斷

return ((void *)stk);

}

3.2.3 讓優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)開始運(yùn)行OSStartHightRdy()

OSStartHighRdy()是在多任務(wù)啟動時被OSStart()調(diào)用的，μC/OS-II 做完所有的初始化工作之后，OSStart()就啟動運(yùn)行多任務(wù)，而OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()

函數(shù)運(yùn)行多個就緒任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。注意，堆棧指針總是儲存在任務(wù)控制塊的開頭。

圖3 中斷發(fā)生時S12CPU寄存器入棧的順序

OSStartHighRdy()將CPU 的堆棧指針SP 的值，改成優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)的堆棧指針的值，然后將該任務(wù)的狀態(tài)字由非運(yùn)行態(tài)“FALSE”，改為運(yùn)行態(tài)“TRUE”，然后

執(zhí)行中斷返回指令RTI 以開始運(yùn)行這個任務(wù)。以下是詳細(xì)代碼：

void OSStartHighRdy(void)

{

OSTaskSwHook(); //調(diào)用鉤子函數(shù)

asm{

ldx OSTCBCur // 加載OSTCBCur 的地址到 x

lds 0,x //把OSTCBStrPtr 載入堆棧指針 sp

ldaa OSRunning

inca // SRunning = TRUE

staa OSRunning

rti

}

}

3.2.4 任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()和中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()

任務(wù)級的切換是通過執(zhí)行軟中斷指令來實(shí)現(xiàn)的。OSCtxSw()實(shí)際上就是軟中斷服務(wù)子程序，軟中斷服務(wù)子程序的向量地址指向OSCtxSw()。如果當(dāng)前任務(wù)調(diào)用μC/OS-II

提供的功能函數(shù)，并使更高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，則μC/OS-II 就會借助上面提到的向量地址找到OSCtxSw()。在系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用的最后，μC/OS-II 會調(diào)用任務(wù)調(diào)度函

數(shù)OSSched()，并由此推斷出當(dāng)前任務(wù)不再是需要運(yùn)行的最重要的任務(wù)。

OSIntCtxSw()函數(shù)中的絕大多數(shù)代碼同OS_TASK_SW()函數(shù)是一樣的。而中斷退出函數(shù)則是通過函數(shù)OSIntCtxSw()來從ISR 中執(zhí)行切換功能，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OSIntCtxSw()函數(shù)中保存CPU 的寄存器。以下只給出任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()的代碼：

void OSCtxSw(void)

{

asm{

ldx OSTCBCur // 加載當(dāng)前任務(wù)的堆棧指針

sts 0,x // 保存到當(dāng)前任務(wù)的TCB 中

}

OSTaskSwHook(); //調(diào)用鉤子函數(shù)

STCBCur = OSTCBHighRdy; // 改變?nèi)蝿?wù)的 OSTCBCur 和OSPrioCur

SPrioCur = OSPrioHighRdy;

asm{

ldx OSTCBCur // 得到新任務(wù)的堆棧指針

lds 0,x // 加載新任務(wù)的堆棧指針到 sp

rti

}

}

4 移植代碼的測試

為了驗(yàn)證移植結(jié)果是否正確，對移植后μC/OS-II 代碼進(jìn)行了測試，這是移植中很重要的一個環(huán)節(jié)。首先對內(nèi)核自身的運(yùn)行情況進(jìn)行了測試，待內(nèi)核自身的運(yùn)行正常工作

后，又創(chuàng)建三個任務(wù)：任務(wù)1 通過PORTA 口點(diǎn)亮LED 燈，該任務(wù)每秒運(yùn)行一次;任務(wù)2和任務(wù)3 都通過串輸出字符串，這兩個任務(wù)都是每2 秒運(yùn)行一次，并通過信號量來實(shí)現(xiàn)

互斥，以使得每個任務(wù)每次運(yùn)行時均可完成所有字符的輸出。實(shí)驗(yàn)測試證明在μC/OS-II管理與調(diào)度下，使得這三個任務(wù)都能正確、可靠地相繼運(yùn)行。

5 小結(jié)

通過μC/OS-II在MC9S12DG128上的移植，加深了對μC/OS-II內(nèi)核工作原理和任務(wù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法的理解，掌握了μC/OS-II移植的一般方法，測試結(jié)果表明移植代碼可以穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的管理和調(diào)度。μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)的引入，不但可以提高系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性和穩(wěn)定性，還提高了應(yīng)用軟件的可移植性，降低了開發(fā)人員的工作量。