摘? 要: 介紹了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II的特點(diǎn)和內(nèi)核結(jié)構(gòu),并首次實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II在Motorola嵌入式處理器MCF5272上的移植。?

　　關(guān)鍵詞: μC/OS-II? MCF5272? 移植? GNU工具鏈?

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　　作為一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核,μC/OS從1992年開(kāi)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(gè)任務(wù),其內(nèi)核為占先式,總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù),并支持Semaphore(信號(hào)量)、Mailbox(郵箱)、Message Queue(消息隊(duì)列)等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。與大多商用RTOS不同的是,μC/OS-II公開(kāi)所有的源代碼,并可以免費(fèi)獲得,對(duì)商業(yè)應(yīng)用收取少量License費(fèi)用。一般商用操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS、WinCE,購(gòu)買費(fèi)用動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)美元,而且每件產(chǎn)品都需要交納運(yùn)行費(fèi),開(kāi)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(zhǎng)RISC處理器核心和DigitalDNA技術(shù),在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63Dhrystone2.1MIPS。其內(nèi)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(shè)備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接,從而簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì),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(jìn)行μC/OS-II內(nèi)核的編譯,Host(宿主機(jī))環(huán)境為L(zhǎng)inux RedHat 6.2,MCF5272目標(biāo)板" title="目標(biāo)板">目標(biāo)板上有4MB FLASH、16MB SDRAM。在宿主機(jī)上編譯出MCF5272處理器的可執(zhí)行代碼,通過(guò)MCF5272的BDM調(diào)試工具下載到目標(biāo)板調(diào)試運(yùn)行。?

1 μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?

　　圖1說(shuō)明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層,每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU,因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無(wú)限循環(huán)。μC/OS-II處理器無(wú)關(guān)的代碼提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù),應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。?

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　　大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語(yǔ)言書(shū)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(yǔ)言寫一些處理器相關(guān)的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求:?

　　(1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;?

　　(2)可以使用C調(diào)用進(jìn)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(gè)定時(shí)中斷源;?

　　(4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;?

　　(5)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)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(guān)代碼以及BSP的編寫。?

2 μC/OS-II BSP編寫?

　　BSP(板級(jí)" title="板級(jí)">板級(jí)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" title="上電">上電后最初的硬件和軟件初始化,并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝,使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的硬件。?

　　為μC/OS-II編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的BSP。它首先設(shè)置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧,并初始化堆棧指針,建立程序的運(yùn)行和調(diào)用環(huán)境;然后可以方便地使用C語(yǔ)言設(shè)置MCF5272片選地址(CS0～CS7)、GPIO以及SDRAM控制器,初始化串口" title="串口">串口(UART0)作為默認(rèn)打印口,并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關(guān)例程和函數(shù)如dprintf(),以方便調(diào)試;在CPU、板級(jí)和程序自身初始化完成后,就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。?

　　MCF5272處理器將系統(tǒng)上電作為2號(hào)異常,因此需要在異常矢量表中相應(yīng)位置填寫第一條指令的物理地址,這可以在編譯時(shí)自動(dòng)完成。該矢量表必須存放在CS0對(duì)應(yīng)的FLASH中供CPU上電時(shí)自動(dòng)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(nèi)部SRAM?

??????? move.l? #0x20001001, %a7 //設(shè)置堆棧指針?

??????? ......?

??????? jsr cpu_init??????? //調(diào)用cpu_init初始化SIM單元?

??????? jsr ucos_start????????????????? //啟動(dòng)uC/OS-II?

??????? ......?

??? 其中cpu_init函數(shù)用于初始化CPU內(nèi)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(shí)序有一定差異。?

　　BSP在完成片級(jí)和板級(jí)初始化后,還負(fù)責(zé)初始化程序自身,如將.data段的內(nèi)容從只讀的ROM復(fù)制到SDRAM中,建立運(yùn)行時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的匯編函數(shù)。在每個(gè)硬件時(shí)鐘到來(lái)后,μC/OS-II會(huì)在中斷服務(wù)例程中調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)調(diào)度;另外,當(dāng)某個(gè)任務(wù)因等待資源而被掛起時(shí),沒(méi)有必要等到自己的時(shí)間片全都用完,可以自己主動(dòng)放棄CPU,這可以通過(guò)調(diào)用一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSCtxSw()來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中相對(duì)復(fù)雜的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR()調(diào)用了OSIntExit(),OSIntExit()又再次調(diào)用了OSIntCtxSw(),如果進(jìn)行任務(wù)切換,那么兩次調(diào)用都不會(huì)返回,而不同的C編譯器、不同的編譯選項(xiàng)處理C調(diào)用時(shí)對(duì)堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw()是編譯器相關(guān)的。GCC在使用2～4級(jí)優(yōu)化時(shí),在主調(diào)函數(shù)中會(huì)是一個(gè)jsr跳轉(zhuǎn)指令,而被調(diào)函數(shù)以linkw %fp, #開(kāi)始。這兩條指令都會(huì)影響堆棧指針。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換,必須重新調(diào)整堆棧指針以補(bǔ)償調(diào)用的影響。一個(gè)完整過(guò)程如下:?

OSIntCtxSw:?

??? adda.l?? #16,%a7??????? //棧補(bǔ)償,GCC-O2->-O4優(yōu)化?

??? move.l?? (OSTCBCur),%a1?

??? move.l ??%a7,(%a1)? //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP?

??? jsr????? OSTaskSwHook???????? //調(diào)用Hook鉤子函數(shù)?

??? /*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/?

??? move.l?? (OSTCBHighRdy), %a1?

??? move.l?? %a1, (OSTCBCur)?

??? move.b?? (OSPrioHighRdy), %d0????? ?

??? move.b?? %d0, (OSPrioCur)?? //OSPrioCur=OSPrioHighRdy?

??? move.l?? (%a1),%a7? //SP=OSTCBCur->OSTCBStkPtr?

??? movem.l? (%a7),%d0-%d7/%a0-%a6? //恢復(fù)CPU寄存器,切換到新任務(wù)?

??? lea????? 60(%a7),%a7?

??? rte?

?? 篇幅所限,其它三個(gè)函數(shù)就不贅述了。?

3 μC/OS-II任務(wù)堆棧初始化?

　　μC/OS-II中每個(gè)任務(wù)都有自己的任務(wù)堆棧,在任務(wù)創(chuàng)建初期由OSTaskStkInit()初始化。初始化堆棧的目的就是模擬一次中斷。任務(wù)堆棧中保存了任務(wù)代碼的起始地址和一些CPU寄存器(初值是無(wú)關(guān)緊要的),這樣一旦條件滿足,就可以執(zhí)行該任務(wù)了。MCF5272在中斷發(fā)生時(shí),會(huì)自動(dòng)保存程序指針PC、狀態(tài)寄存器SR以及其它一些信息,為四字幀結(jié)構(gòu)。除此以外,%d0-%d7、%a0-%a6也必須按一定順序入棧。OSTaskStkInit()在完成堆棧初始化后,還要返回棧頂指針以用于該任務(wù)控制塊TCB結(jié)構(gòu)的初始化。該程序使用C語(yǔ)言編寫。?

4 μC/OS-II系統(tǒng)時(shí)鐘?

　　MCF5272處理器內(nèi)置了4個(gè)定時(shí)器,使用TIMER0產(chǎn)生周期10ms的定時(shí)中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)PIVR寄存器設(shè)置為0x40時(shí),TIMER0為69號(hào)中斷,在矢量表的相應(yīng)位置需填入時(shí)鐘服務(wù)程序OSTickISR()的入口地址,并初始化時(shí)鐘:?

??? volatile unsigned short*pTimer;?

??? pTimer=(unsigned short*)(0x10000000+0x200);//指向TIMER0?

??? /* 復(fù)位時(shí)鐘 */?

??? *pTimer &= 0xFFF9;???? //定時(shí)器處于STOP狀態(tài)?

??? *pTimer=(*pTimer & 0x00FF) | 0xFA00;//預(yù)分頻=250?

??? *pTimer |= 0x0018;??? ? //計(jì)數(shù)滿自動(dòng)清零,中斷方式?

??? pTimer[2] = 165;????????? //Set TRR = 165?

??? *pTimer=(*pTimer & 0xFFF9) | 0x0004;CLK=Master/16, 啟動(dòng)?

??? 上述程序段時(shí)鐘節(jié)拍的周期為:(1/66MHz)×250×165×16=0.01秒。實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合可以使用更為精細(xì)的時(shí)鐘。TIMER0一旦完成初始化,就開(kāi)始工作,但是要讓中斷發(fā)生,還必須設(shè)置ICR寄存器相應(yīng)字段給該中斷分配IPL(Interrupt Priority Level,中斷優(yōu)先級(jí)),并保證該中斷沒(méi)有被狀態(tài)寄存器SR屏蔽。?

　　該時(shí)鐘初始化代碼可以放在第一個(gè)μC/OS-II任務(wù)中,在OSStart()后執(zhí)行。一旦內(nèi)核可以進(jìn)行正常的任務(wù)切換,移植工作也就基本完成了。?

5 內(nèi)核編譯與下載?

　　所有的C和匯編源文件經(jīng)過(guò)編譯、鏈接,最終形成一個(gè)二進(jìn)制映像文件。由于μC/OS-II使用了自定義的數(shù)據(jù)類型,因此必須將其轉(zhuǎn)變成為GCC(GNU C Compiler)能識(shí)別的類型,如INT8U可以定義為unsigned char。另外,還必須編寫一個(gè)LD(鏈接腳本)文件控制編譯,將程序定位到實(shí)際的ROM和RAM資源中。為了調(diào)試方便,通常是通過(guò)BDM工具將內(nèi)核下載到目標(biāo)板SDRAM中運(yùn)行,調(diào)試通過(guò)后再固化到FLASH中。?

　　RTOS是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的熱點(diǎn)。應(yīng)用RTOS,可以使產(chǎn)品更可靠、功能更強(qiáng)大而開(kāi)發(fā)周期更短。μC/OS-II有著良好的實(shí)時(shí)性和很小的代碼量,并被廣泛移植到x86、68K、ColdFire、MPC 8xx、ARM、MIPS、C5409等許多處理器上。數(shù)百個(gè)成功的商業(yè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明μC/OS-II是一個(gè)穩(wěn)定可靠的內(nèi)核,因此將μC/OS-II移植到MCF5272具有很強(qiáng)的實(shí)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

1 JEAN J,LABROSSE. μC/OS-II:the Real Time Kernel. R&D Books. 2000?

2 MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User＇s Manual.Rev.1 02/2001?

3 (美)拉伯羅斯著,邵貝貝譯.μC/OS-II——源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng).北京:中國(guó)電力出版社,2001?