基于μC/OS-II在MCF5272上的移植方案解析

作為一個實時內核，μC/OS從1992年開始為人們熟悉，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為μC/OS-II。μC/OS-II最多支持56個任務，其內核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務，并支持Semaphore（信號量）、Mailbox（郵箱）、Message Queue（消息隊列）等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是，μC/OS-II公開所有的源代碼，并可以免費獲得，對商業(yè)應用收取少量License費用。一般商用操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS、WinCE，購買費用動輒數(shù)萬美元，而且每件產(chǎn)品都需要交納運行費，開發(fā)、使用成本高昂。
　　目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire處理器，采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigitalDNA技術，在66MHz時鐘下能夠達到63Dhrystone2.1MIPS。其內部SIM（System Integrated Module）單元集成了豐富的通用模塊，如10/100MHz快速以太網(wǎng)控制器，USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設備（如SDRAM、ISDN收發(fā)器）實現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路設計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。
　　使用GNU工具鏈（包括交叉編譯器GCC、匯編器AS等）進行μC/OS-II內核的編譯，Host（宿主機）環(huán)境為Linux RedHat 6.2，MCF5272目標板上有4MB FLASH、16MB SDRAM。在宿主機上編譯出MCF5272處理器的可執(zhí)行代碼，通過MCF5272的BDM調試工具下載到目標板調試運行。
　　1 μC/OS-II系統(tǒng)結構
　　圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結構。應用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設計成為一個無限循環(huán)。μC/OS-II處理器無關的代碼提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務，應用程序可以使用這些API函數(shù)進行內存管理、任務間通信以及創(chuàng)建、刪除任務等。
　　
　　大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：
　?。?）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;
　?。?）可以使用C調用進入和退出Critical Code（臨界區(qū)代碼）;
　　（3）處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源;
　　（4）處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;
　?。?）處理器需要有能夠在CPU寄存器與內存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。
　　移植μC/OS-II的主要工作就是處理器和編譯器相關代碼以及BSP的編寫。
　　2 μC/OS-II BSP編寫
　　BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的硬件。
　　為μC/OS-II編寫一個簡單的BSP。它首先設置CPU內部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調用環(huán)境;然后可以方便地使用C語言設置MCF5272片選地址（CS0～CS7）、GPIO以及SDRAM控制器，初始化串口（UART0）作為默認打印口，并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關例程和函數(shù)如dprintf（），以方便調試;在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權交給操作系統(tǒng)了。
　　MCF5272處理器將系統(tǒng)上電作為2號異常，因此需要在異常矢量表中相應位置填寫第一條指令的物理地址，這可以在編譯時自動完成。該矢量表必須存放在CS0對應的FLASH中供CPU上電時自動讀取。如：
　　_vectors： //矢量表起始地址
　　.long 0x0， _start， _fault， _fault， 。.. //初始化1K字節(jié)矢量表
　　。..。..
　　_start： nop //第一條指令
　　move.w #0x2700， %sr //屏蔽所有中斷
　　move.l #_vectors， %d0
　　move.c %d0， %VBR //#vectors-》VBR
　　move.l #0x10000001，%d0
　　move.c %d0， %MBAR //SIM單元基地址0x10000000
　　move.l #0x20000001，%a0 //SRAM起始地址0x20000000
　　move.c %a0， %RAMBAR0 //初始化內部SRAM
　　move.l #0x20001001， %a7 //設置堆棧指針
　　。..。..
　　jsr cpu_init //調用cpu_init初始化SIM單元
　　jsr ucos_start //啟動uC/OS-II
　　。..。..
　　其中cpu_init函數(shù)用于初始化CPU內部SIM單元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化，不同生產(chǎn)商的SDRAM的初始化時序有一定差異。
　　BSP在完成片級和板級初始化后，還負責初始化程序自身，如將.data段的內容從只讀的ROM復制到SDRAM中，建立運行時環(huán)境。以下是建立程序數(shù)據(jù)段的代碼：
　　memcpy（&_sdata，&_etext， （&_edata - &_sdata））;//拷貝.data段
　　memset（&_sbss， 0， （&_ebss - &_sbss））;//將.bss段清零
　　還需要為μC/OS-II編寫4個簡單的匯編函數(shù)。在每個硬件時鐘到來后，μC/OS-II會在中斷服務例程中調用OSIntCtxSw（）進行任務調度;另外，當某個任務因等待資源而被掛起時，沒有必要等到自己的時間片全都用完，可以自己主動放棄CPU，這可以通過調用一個任務級的任務調度函數(shù)OSCtxSw（）來實現(xiàn)。其中相對復雜的是OSIntCtxSw（）。由于OSTickISR（）調用了OSIntExit（），OSIntExit（）又再次調用了OSIntCtxSw（），如果進行任務切換，那么兩次調用都不會返回，而不同的C編譯器、不同的編譯選項處理C調用時對堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw（）是編譯器相關的。GCC在使用2～4級優(yōu)化時，在主調函數(shù)中會是一個jsr跳轉指令，而被調函數(shù)以linkw %fp， #開始。這兩條指令都會影響堆棧指針。為了實現(xiàn)任務切換，必須重新調整堆棧指針以補償調用的影響。