詳解μC/OS-II在ARM平臺上移植

μC/OS-II在ARM平臺的移植是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)過程，有助于提高對RTOS的認(rèn)識與理解，從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。μC/OS-II是一個(gè)小的實(shí)時(shí)內(nèi)核，源代碼公開，有詳盡的解釋。正是因?yàn)槠鋬?nèi)核小，才便于研究、理解和掌握。另外，參照TCP/IP協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和一些公開的圖書，在μC/OS-II上增加TCP/IP協(xié)議棧，藍(lán)牙通信軟件、紅外通信協(xié)議也十分方便，商業(yè)價(jià)值得到了認(rèn)可。
　　隨著科技的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜性越來越高，同時(shí)ARM體系處理器的價(jià)格越來越低，ARM平臺 + 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會越來越廣泛。有鑒于此，本文對μC/OS-II在ARM平臺下的移植進(jìn)行了深入探討。
　　1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺簡介
　　1.1 μC/OS-II簡介
　　μC/OS最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載，并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。
　　μC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，絕大部分代碼用C語言編寫。CPU的相關(guān)部分采用匯編語言編寫，總量在200行左右的匯編語言被壓縮到最低限度，目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去。
　　μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性優(yōu)良、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。
　　1.2 μC/OS-II的組成
　　嚴(yán)格地說μC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等額外的服務(wù)。但由于μC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源代碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實(shí)現(xiàn)。
　　μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信、CPU的移植等5個(gè)部分［1］。
　?。?）核心部分（OSCore.c）：操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)的初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。
　?。?）任務(wù)處理部分（OSTask.c）：與任務(wù)操作密切相關(guān)的部分。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。
　　（3）時(shí)鐘部分（OSTime.c）：μC/OS-II中最小的時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作在此完成。
　?。?）任務(wù)同步和通信部分：為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問。
　?。?）與CPU的接口部分：這里是指μC/OS-II針對所使用的CPU需要改寫的部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的，在應(yīng)用到其他處理器平臺上時(shí)，這部分代碼必須做相應(yīng)的改變。
　　1.3 ARM硬件開發(fā)平臺簡介
　　調(diào)試時(shí)所用的硬件開發(fā)平臺是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板，其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片，主頻203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD讀卡器、USB Host和USB Device控制器、LCD控制器、I2C總線控制器、SPI總線接口等。開發(fā)板上Flash空間為32 MB，SDRAM容量為128 MB。
　　2 S3C2410引導(dǎo)程序
　　開發(fā)板原有引導(dǎo)程序由VIVI公司提供，其運(yùn)行過程分成兩個(gè)階段。第一階段的代碼用匯編語言編程，主要完成以下任務(wù)： （1）初始化CPU速度、存儲器、存儲器配置寄存器，以及串口等硬件資源的配置；（2）建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備； （3）裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中；（4）設(shè)置相關(guān)寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)，進(jìn)入第二階段。
　　第二階段的代碼用C語言編寫，從main（）函數(shù)開始，主要工作有：開發(fā)板外部接口初始化（I/O接口、UART接口、LCD接口等）、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等，最后啟動linux內(nèi)核。有大量文章對此開發(fā)板引導(dǎo)程序作了詳細(xì)的分析［3］，本文在這里不做重復(fù)，本文的重點(diǎn)是將引導(dǎo)程序與μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合，既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口、LCD和觸摸屏接口程序；時(shí)鐘、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動程序和接口程序，又成功地完成了對μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植和整合。
　　3 移植要點(diǎn)
　　μC/OS-II的內(nèi)核分成2個(gè)部分，與處理器無關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺（這里特地強(qiáng)調(diào)編譯平臺的因素，主要考慮到各個(gè)編譯平臺對數(shù)據(jù)格式的理解略有差別）的特點(diǎn)來重新編寫3個(gè)文件，用C語言編寫的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用匯編語言編寫的OS_CPU_A.ASM，此外，要將S3C2410開發(fā)板引導(dǎo)程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起，還必須將各自main（）函數(shù)融為一體。
　　3.1 OS_CPU.H的移植
　　μC/OS-II內(nèi)核中OS_CPU.H代碼是根據(jù)X86內(nèi)核而寫的，其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個(gè)部分：
　?。?）數(shù)據(jù)類型定義：在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然定義8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時(shí)，在編譯過程中不會報(bào)錯(cuò)，但這些變量并不會按要求被正確初始化或賦值，運(yùn)行過程常常出錯(cuò)。所以，在改寫OS_CPU.H代碼時(shí)，將所有變量都定義成32 bit或64 bit；
　?。?）堆棧生長方向定義：ARM的堆棧是從上往下生長的，OS_STK_GROWTH定義為1；
　?。?）開關(guān)中斷的宏定義：用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實(shí)現(xiàn)，放在OS_CPU_A.ASM文件中。
　?。?）宏定義OS_TASK_SW（）：這個(gè)宏定義是在ARM中斷處理之外時(shí)，μC/OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)所調(diào)用的代碼，它總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。在有些資料中［1］，將OS_TASK_SW（）和OSIntCtxSw（）等同起來，這在ARM內(nèi)核中是不行的，因?yàn)楹笳呤茿RM內(nèi)核在中斷模式下的任務(wù)切換函數(shù)，而不同模式下處理器的寄存器組是不同的，所要保護(hù)的寄存器內(nèi)容也不相同，經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)以下代碼可達(dá)到目的。
　　OS_TASK_SW
　　stmfd sp！， {lr} ; PC入棧，lr其實(shí)是任務(wù)的返回地址，
　　stmfd sp！， {r0-r12， lr}
　　mrs r4， cpsr
　　stmfd sp！， {r4} ;最后保存CPSR ldr r4， =OSTCBCur
　　ldr r5， ［r4］
　　str sp， ［r5］ ;將SP保存在當(dāng)前任務(wù)的控制塊中 ldr r5， =OSTCBHighRdy
　　ldr r5， ［r5］
　　str r5， ［r4］ ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy ldr r6， =OSPrioHighRdy
　　ldr r6， ［r6］
　　ldr r4， =OSPrioCur
　　str r6， ［r4］ ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy
　　ldr sp， ［r5］ ;得到新任務(wù)的堆棧指針
　　ldr r4， ［sp］， #4
　　msr cpsr_cxsf， r4 ;先恢復(fù)CPSR
　　ldmfd sp！， {r0-r12， lr， pc}
　　3.2 OS_CPU_C.C.H的移植
　　在OS_CPU_C.C中，最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），它在任務(wù)建立時(shí)，用來初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，其余鉤子函數(shù)可以不用動，這個(gè)函數(shù)的代碼比較簡單［2］。需要說明的是，由于本文所述系統(tǒng)，用戶任務(wù)運(yùn)行在SVC模式下，沒有保存SPSR寄存器。