MC68K CPU簡介 μC/OS-II向MC68K的移值 - 全文

一、MC68K CPU簡介

MC68K及68020、68040等的著名的MOTOROLA32位微處理器，和與之兼容的68K、CPU32、CPU32+等CPU擴充定時處理單元TPU、隊列串行模塊QSM、系統(tǒng)控制模塊和RAM等組成MC683xx系列單片機。

CPU32 內(nèi)部有8個32位通用數(shù)據(jù)寄存器，8個32位通用地址寄存器。8個通用數(shù)據(jù)寄存器可作為累加器使用，也可看成C語言中各種類型的變量;8個通用地址寄存器，可作為變址寄存器使用，也可看成C語言中的指針型變量。CPU32有獨立的用戶堆棧指針和系統(tǒng)堆棧指針，可區(qū)分程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)區(qū)、用戶區(qū)等存儲空間，有7級中斷。

要實現(xiàn)μC/OS-II向MC68K的移值，需要有MC68K的C編譯器。我們使用的HIWARE公司的C編譯器。該C編譯器允許嵌入行匯編。

二、移植中所需修改的文件

和CPU相關(guān)的文件主要有三個：C語言文件OS_CPU32.C、頭文件OS_CPU32.H和匯編文件OS_CPU32.ASM。

1.INCLUDES.H文件

INCLUDES.H 是主頭文件，在所有后綴名為.C文件的開始都包含INCLUDES.H文件。對于不同類型的處理器，用戶需要改定INCLUDES.H文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。在安裝μC/OS-II的時候，附帶了幾個移植實例，例如，針對Intel 80x86的代碼安裝到IIL目錄。我們?yōu)镸C68K編寫的移植實例都放在II下，在INCLUDES.H文件中增加有：

#include "iiK_CPU32.ASM"

#include "iiK_CPU32.C"

#include "iiK_CPU32.H"

2.OS_CPU32.H文件

OS_CPU32.H文件中定義了與硬件相關(guān)的基本信息：

typedef unsigned char INT8U; /*無符號8位數(shù)*/

typedef signed char INT8S; /*帶符號8位數(shù)*/

typedef unsigned int INT16U; /*無符號16位數(shù)*/

typedef signed int INT16S; /*帶符號16位數(shù)*/

typedef signed long INT32S; /*帶符號32位數(shù)*/

typedef unsigned int OS_STK; /*堆棧入口寬度為16位*/

#define OS_STK_GROWTH1 /*堆棧由高地址向低地址增長*/

#define UCOS 0 /*用于任務(wù)切換的軟中斷*/

define OS_TASK_SW() _TRAP(UCOS)

#define OS_ENTER_CRITICAL() move.w#$2700,SR /*進入臨界區(qū)*/

#define OS_EXIT_CRITICAL() move.w #$2000,SR /*退出臨界區(qū)*/

(1)數(shù)據(jù)類型

由于不同的處理器有不同的字長，μC/OS-II的移植需要重新定義一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于 MC68K為32位MCU，整數(shù)(int)類型數(shù)據(jù)為16位，長整開有(long)為32位。在MC68K中堆棧都是按字進行操作的，所以堆棧數(shù)據(jù)類型 OS_STK聲明為16位。所有的堆棧必須用OS_STK聲明。

(2)代碼臨界區(qū)

μC/OS -II在進入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之間要關(guān)中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開，從而保護核心數(shù)據(jù)不被多任務(wù)環(huán)境下的其他任務(wù)或中斷破壞。在MC68K中，開關(guān)中斷可以通過設(shè)置狀態(tài)寄存器SR中的中斷屏蔽位來實現(xiàn)。μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL()定義將狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽位置位，屏蔽所有的七級中斷;OS_EXIT_CRITICAL()定義將狀態(tài)寄存器的中斷屏蔽位清零，打開所有的七級中斷。這種處理方法非常簡單，但CPU32提供分級中斷機制得不到使用。如果要使用分級中斷，必須改寫一些相關(guān)的函數(shù)，將在第4節(jié)中闡明。

(3)堆棧方向

MC68K處理器的堆棧是由高地址向低地址遞減的，所以O(shè)S_STK_GROWTH必須設(shè)置為1。

(4)OS_TASK_SW()函數(shù)的定義

在μC/OS -II中，OS_TASK_SW()用來實現(xiàn)任務(wù)切換。就緒任務(wù)的堆棧初始化應(yīng)該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，椎棧中應(yīng)該按入棧次序設(shè)置好各個寄存器。 OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次斷過程，在中斷返回的進修進行任務(wù)切換。CPU32有16個軟中斷可供選用，稱為陷阱TRAP調(diào)用。中斷程序程序的入口必須指向匯編函數(shù)OSCtxSw()。

我們在μC/OS-II所提供的例程中使用的0號陷阱調(diào)用，由下面的語句完成定義：

#define OS_TASK_SW() -TRAP(UCOS)

3.OS_CPU32.ASM文件

μC/OS-II的移植需要用戶改寫OS_CPU_A.ASM中的4個函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSINTCtxSw()和OSTICkISR()。

(1)OSStartHighRdy()函數(shù)

該函數(shù)由OSStart()函數(shù)調(diào)用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。在調(diào)用OSStart() 之前，用戶必須先調(diào)用OSInit()，并且已經(jīng)至少創(chuàng)建了一個任務(wù)。為啟動任務(wù)，OSStartHighRdy()首先找到當前就緒的優(yōu)先級最高的任務(wù)，OSTCBHighRdy中保存有優(yōu)先級最高任務(wù)的任務(wù)控制塊(TCB)的地址，并從任務(wù)的任務(wù)控制塊中找到指向堆棧的指針，然后運行指令 MOVEM.L(A7)+，A0-A6/D0-D7，從堆棧中彈出全部寄存器的內(nèi)容，運行RTE中斷返回。由于任務(wù)創(chuàng)建時堆棧的結(jié)構(gòu)就是按中斷捕撈堆棧結(jié)構(gòu)初始化的，執(zhí)行RET指令后就切換到了新任務(wù)。有關(guān)μC/OS- II的任務(wù)切換機制，請參考系列計座(3).

OSStartHighRdy的匯編代碼如下：

_OSStarHighRdy

MOVE.L(_OSTCBHighRdy)，A1

;獲取最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur)

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7

RTE ;中斷返回，切換任務(wù)

(2)OSCtxSw( )函數(shù)

OSCtxSw( )是一個任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)(在任務(wù)中調(diào)用，區(qū)別于在中斷程序中調(diào)用的OSIntCtxSw()，在MC68K系統(tǒng)上，通過執(zhí)行一條軟中斷指令來實現(xiàn)任務(wù)切換。軟中斷向量指向函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)可能造成系統(tǒng)任務(wù)重新調(diào)度(例如，試圖喚醒一個優(yōu)先級更高的任務(wù))，則在函數(shù)的末尾會調(diào)用OSSched ()，OSSched()將查找當前就緒的優(yōu)先級最高的任務(wù)。如果不是當前任務(wù)，則判斷是否需要進行任務(wù)調(diào)度，再找到該任務(wù)控制塊OS_TCB的地址，并將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過寵OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷，進行任務(wù)切換。在此過程中，變量OSTCBCur始終包含一個指向當前運行任務(wù)OS_TCB的指針。OSCtxSw()的匯編代碼如下：

_OSCtxSw

MOVEM.L A0-A6/D0-D7,-(A7) ;存儲當前任務(wù)環(huán)境

MOVE.L (_OSTCBCur)，A1 ;保存當前任務(wù)TCB指針

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1 ;獲取最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;將就緒任務(wù)設(shè)置為當前運行任務(wù)

MOVE.L (A1)，A7 ;取得新任務(wù)的堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中斷返回，切換任務(wù)

(3)OSIntCtxSw()函數(shù)

在μC/OS -II中，由于中斷的產(chǎn)生可能會引起任務(wù)切換，在中斷服務(wù)程序的最后會調(diào)用OSICntExit()函數(shù)檢查任務(wù)就緒狀態(tài)。如果需要進行任務(wù)切換，將調(diào)用 OSIntCtxSw()，所以，OSIntCtxSw()又稱為中斷級的任務(wù)切換函數(shù)。由于在調(diào)用OSIntCtxSw()之前已經(jīng)發(fā)生了中斷， OSIntCtxSw()默認CPU寄存器已經(jīng)保存在被中斷任務(wù)的堆棧了。OSIntCtxSw()的代碼與OSCtxSw()的大部分相同，不同之處是：第一，由于中斷已經(jīng)發(fā)生，此處不需要再保存CPU寄存器;第二，OSIntCtxSw()需要調(diào)整堆棧指針，去掉堆棧中一些不需要的內(nèi)容，以使堆棧中包含任務(wù)的運行環(huán)境。

_OSIntCtxSw

ADDA #10，A7 ;忽略掉由于函數(shù)嵌套調(diào)

;用而壓入堆棧的內(nèi)容

MOVE.L (_CSTCBCur)，A1 ;在TCB中保存當前

;任務(wù)的堆棧指針

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1

;獲取最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;將就緒任務(wù)設(shè)備為當前

;運行任務(wù)

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆棧指針

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中斷返回，切換任務(wù)

(4)OSTickISR()函數(shù)

在μC/OS-II中，當調(diào)用OSStart()啟動多任務(wù)環(huán)境后，時鐘中斷非常重要。在時鐘中斷中處理所有與定時相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時、等待操作等等。在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時結(jié)束，以重新進行任務(wù)調(diào)度。

和μC/OS -II中的其他中斷服務(wù)程序一樣，OSTICkISR()首先在被不斷任務(wù)堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調(diào)用OSIntEnter()。ΜC/OS- II要求在中斷服務(wù)程序開頭調(diào)用OSIntEnter()，其作用是將記錄中斷嵌套層數(shù)的全局變量OSIntNesting加1。如果不調(diào)用 OSIntEnter()，直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨垢，OSTickISR()調(diào)用OSTimeTick()，檢查所有處于延時等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否有延時結(jié)束并就緒的任務(wù)。在OSTickISR()的最后調(diào)用OSIntExit()，如果在中斷中(或其他嵌套的中斷)有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，并且當前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit()將進行任務(wù)調(diào)度。注意，如果進行了任務(wù)調(diào)度，OSIntExit()將不再返回調(diào)用者，而是用新任務(wù)堆棧中的寄存器數(shù)值恢復(fù)CPU現(xiàn)場，然后用RTE實現(xiàn)任務(wù)切換。如果當前中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變?nèi)蝿?wù)的就緒狀態(tài)，OSIntExit()將返回調(diào)用者OSTickISR()，最后OSTickISR()返回被中斷的任務(wù)。

4.OS_CPU32.C文件

μC/OS-II的移值需要用戶在OS_CPU32.C中定義6個函數(shù)，而實際上需要定義的只有OSTaskStkInit（）一個函數(shù)，其他5個函數(shù)需要聲明，但不一定有實際內(nèi)容。這5個函數(shù)都是用戶定義的，所以O(shè)S_CPU32.C中沒有給出代碼。如果用戶需要使用這些函數(shù)，請將文件OS_CDG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設(shè)為1，設(shè)為0表示不使用這些函數(shù)。

OSTaskStkInit （）函數(shù)由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）調(diào)用，用來初始化任務(wù)的堆棧。初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)。按照中斷后的進棧次序預(yù)留各個寄存器的存儲空間，而中斷返回地址指向任務(wù)代碼的起始地址。當調(diào)用OSTaskCreate（）或 OSTaskCreateExt（）創(chuàng)建一個新任務(wù)時，需要傳遞的參數(shù)是：任務(wù)代碼的起始地址、參數(shù)指針、任務(wù)堆棧頂端的地址、任務(wù)的優(yōu)先級。 OSTaskCreateExt（）還需要一些其他參數(shù)，但與OSTaskStkInit（）沒有關(guān)系。OSTaskStkInit（）只需要以上提到的 3個參數(shù)：task、pdata、ptos。由于MC68K堆棧是16位寬的（以字為單位），OSTaskStkInit（）將創(chuàng)立一個指向以字為單位的內(nèi)存區(qū)域的指針，同時要求堆棧指針指向空堆棧的頂端。堆棧初始化工作結(jié)束后，OSTaskStkInit（）返回新的堆棧頂指針， OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）將指針保存在任務(wù)的OS_TCB中。

三、移植中的幾點注意事項

由于μC/OS-II運行的實時性，調(diào)試內(nèi)核幾乎不可能。一旦移植過程中內(nèi)核運行不穩(wěn)定，很難確定是什么地方的問題，更困難的是有些現(xiàn)象幾乎是不可重復(fù)的。這就需要詳細了解內(nèi)核運行機理，認真分析，找出可能存在的問題。下面就來分析這些移植過程中的問題。

1.編譯器的優(yōu)化選項

在移植過程中，除了要熟悉μC/OS-II和目標芯片之外，熟悉使用的C編碼器也非常重要。通常C編譯器都會提供一些優(yōu)化代碼的選項，在移植μc/OS-II的過程中，這些選項往往會帶來麻煩。下面是移植中與HIWARE的C編譯器有關(guān)的例子。

通常在調(diào)用子程序或進入中斷時，C編譯器會自動保存CPU內(nèi)部寄存器到堆棧中。例如，在進入中斷時編譯器會加入下面2條指令：

LINK #$0000，A6;

MOVEM.L D0/D1/D3/D4/D5/D6/D7/A0/A1/A2/A3/A4/A5，-（A7）;

這2 條匯編指令的作用是將CPU的數(shù)據(jù)寄存器D0～D7、地址寄存器A0～A5保存到堆棧中，再將此時的堆棧指針A7也保存到堆棧中，并使用A6作為臨時的堆棧指針。這本是一個非常好的優(yōu)化選項，可以防止在中斷中偶然地更改了數(shù)據(jù)寄存器或地址寄存器;但在μC/OS-II中，這個機制將對OS_CPU_C.C 和OS_CPU_ASM.ASM中的幾個子程序和中斷服務(wù)例程產(chǎn)生致命的影響。

OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的子程序中斷引發(fā)任務(wù)調(diào)度，當前的任務(wù)被掛起。掛起任務(wù)是通過下面的語句來完成的：

MOVEM.L A0-A6/D0-D7，-（A7）;

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L （A2），A1;

MOVE.L A7，（A1）;

保存任務(wù)的指針和所有數(shù)據(jù)地址寄存器的值，那么理想情況下，此時的任務(wù)堆棧應(yīng)該是如圖1所示的情況（以O(shè)SCtxSw（）函數(shù)為例，可以對應(yīng)到OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的其他函數(shù)和中斷處理例程）。

那么恢復(fù)掛起的任務(wù)時，只要通過如下語句：

MOVE.L OSTCBHighRdy，A1;

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L A1，（A2）;

MOVE.L （A1），A7;

MOVEM.L （A7）+，A0-A6/D0-D7;

將保存在任務(wù)TCB中的任務(wù)堆棧指針恢復(fù)，再恢復(fù)數(shù)據(jù)地址寄存器，最后執(zhí)行OSCtxSw（）的中斷返回，就可以順利地恢復(fù)被掛起的任務(wù)。

如果C編譯器在OSCtxSw（）函數(shù)入口處插入了2條保存數(shù)據(jù)地址寄存器和堆棧指針的語句后，再執(zhí)行掛起任務(wù)的語句，任務(wù)的堆棧會變成圖2所示的情況。編譯器引起了堆棧的變化，如果所有的任務(wù)都是用這種方式掛起和恢復(fù)的，并不會產(chǎn)生致命的問題，因為編碼器退出OSCtxSw（）函數(shù)時會插入如下語句恢復(fù)堆棧：

MOVEM.L （A7）+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

問題在于初始化任務(wù)的時候，每個任務(wù)實際上是按照圖1所示的堆棧結(jié)構(gòu)被初始化的，那么，按照圖2的堆棧結(jié)構(gòu)來恢復(fù)自然會導(dǎo)致堆棧崩潰。

解決這個問題的方法很多，可以改定任務(wù)初始化的代碼以適應(yīng)C編譯器的這個“優(yōu)化”，也可以在進入OSCtxSw（）函數(shù)時首先調(diào)用如下語句恢復(fù)堆棧，抵消C編碼器的影響：

MOVEM.L （A7）+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

而在退出OSCtxSw（）函數(shù)前再調(diào)用如下語句模擬出更動的堆棧：

LINK #$0000，A6

MOVEM.L D0-D7/A0-A5，-（A7）;

較好的方法當然是調(diào)整編譯器，取消這個優(yōu)化選項。如果無法調(diào)整編譯器，就只有用以上辦法來適應(yīng)編譯器了。