uCOS II在SkyEye上的移植分析

　　SkyEye仿真調(diào)試器是基于ARM7TDMI 核的，因此移植 uC/OS-II 到 SkyEye 上可以借鑒網(wǎng)上已有的例如 Sansung S3C3410X的移植代碼，這在 uC/OS-II的主頁上很容易找到。 當(dāng)然自己動手做移植也是對 ARM 體系結(jié)構(gòu)和匯編語言的進(jìn)一步熟悉，同時對于 uC/OS-II 內(nèi)核的調(diào)度機制會有更深的認(rèn)識。

　　整個移植工作可以分為兩個方面，一部分是和 ARM 相關(guān)，一部分是和移植原理相關(guān)。在開始實際的移植工作前，需要對這兩部分有一定的背景知識，尤其是和側(cè)重于和移植工作相關(guān)的概念和原理，下面分別做一些介紹。

　　ARM的體系結(jié)構(gòu)

　　ARM(Advanced RISC Machines)是目前在嵌入式領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，以其低成本、低功耗、高性能的特點占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM系列的處理器當(dāng)前有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等多個產(chǎn)品，此外ARM公司合作伙伴，例如Intel 也提供基于XScale微體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)處理器產(chǎn)品。所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，所以開發(fā)者在不同的ARM處理器上做操作系統(tǒng)移植時，可以將節(jié)省相當(dāng)多的工作量，這無疑將大大降低軟件開發(fā)成本。

　　要詳細(xì)完整的了解ARM的體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)然是去讀 ARM Architectur Reference Manual ，這是一個13M 的pdf 文檔，有800多頁，可以從ARM的網(wǎng)站下載，也可以到北京亞嵌教育研究中心的FTP服務(wù)器( http://www.akae.cn/ftp/ )上找到。北航出的一本《ARM 嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)》基本上翻譯了這個pdf中大部分重要的內(nèi)容，可以作為入門的中文教材。這里我們僅僅對其中和移植工作密切相關(guān)的概念做簡要介紹。

　　1.處理器模式： ( cpu mode )

　　ARM 的處理器可以工作在 7 種模式，如圖1所示。

　　圖1

　　這里除 usr 模式以外的其他模式都叫做特權(quán)模式，除 usr 和 sys 外的其他5種模式叫做異常模式。在 usr 模式下對系統(tǒng)資源的訪問是受限制的，也無法主動地改變處理器模式。異常模式通常都是和硬件相關(guān)的，例如中斷或者是試圖執(zhí)行未定義指令等。這里需要強調(diào)的是和移植相關(guān)的兩種處理器模式：svc態(tài)和 irq 態(tài)，分別指操作系統(tǒng)的保護模式和通用中斷處理模式。這兩種模式之間的轉(zhuǎn)換可以通過硬件的方式，也可以通過軟件的方式。uC/OS-II內(nèi)核在執(zhí)行過程中，大部分時間都是工作在 svc 態(tài)，當(dāng)有硬件中斷，例如時鐘中斷到來時，cpu 硬件上會自動完成從svc態(tài)進(jìn)入 irq態(tài)，在中斷處理程序的結(jié)束處，則需要通過編程的方法使得 cpu 從irq 態(tài)恢復(fù)到 svc 態(tài)，這個在移植代碼中可以找到。

　　2.程序狀態(tài)寄存器： ( PSR：Program status register )

　　在任何一種處理器模式中，都使用同一個寄存器來標(biāo)識當(dāng)前處理器的工作模式：這個寄存器叫做CPSR ( Current Program Status Register )，它的 [0--4] 位用來表示cpu mode，如圖2、圖3所示。

　　圖2

　　圖3

　　3.ARM寄存器：( register )

　　ARM處理器一共有37個寄存器，其中31個是通用寄存器，包括一個程序計數(shù)器 PC。另外6個就是上面提到的程序狀態(tài)寄存器。

　　a)通用寄存器：

　　i.R0-R7：與所有處理器模式無關(guān)的寄存器，可以用作任何用途。

　　ii.R8-R14：與處理器模式有關(guān)的寄存器，在不同的模式下，對應(yīng)到不同的物理寄存器。其中 R13又叫做 sp，一般用于堆棧指針。R14又叫做lr，一般用于保存返回地址。這兩個寄存器在每種異常模式下都對應(yīng)到不同的物理寄存器上，例如lr_irq、lr_svc、lr_fiq 等。

　　iii.R15：又叫做程序計數(shù)器，即pc，所有的模式下都使用同一個 pc。

　　b)狀態(tài)寄存器：

　　i.CPSR：當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器，所有的模式下都使用同一個 CPSR。

　　ii.SPSR：保存的程序狀態(tài)寄存器，每種異常模式下都有自己的SPSR，一共有5種SPSR，即SPSR_irq、SPSR_fiq、SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und。usr和sys 態(tài)下沒有 SPSR 。

　　所有的ARM寄存器的命名和含義，可以用下面的這張表來說明，其中相同命名的都是同一個物理寄存器，不同命名的寄存器都對應(yīng)不同的物理寄存器，如圖4所示。

　　圖4

　　uCOS-II 移植工作介紹

　　uCOS-II 實際上可以簡單地看作是一個多任務(wù)的調(diào)度器，在這個任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱等。它的90%的代碼都是用C語言寫的，因此只要有相應(yīng)的C語言編譯器，基本上就可以直接移植到特定處理器上，這也是uC/OS-II具有良好的可移植性的原因。移植工作的絕大部分都集中在多任務(wù)切換的實現(xiàn)上，因為這部分代碼主要是用來保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(即相關(guān)寄存器)，因此不能用C語言，只能使用特定的處理器匯編語言完成。

　　uCOS-II的全部源代碼量大約是6000-7000行，一共有15個文件。將 uC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要完成的工作也非常簡單，只需要修改三個和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個文件的移植工作：

　　1.OS_CPU.H 文件

　　數(shù)據(jù)類型定義

　　這部分的修改是和所用的編譯器相關(guān)的，不同的編譯器會使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型，比如int，同樣在x86平臺上，如果用GNU的gcc 編譯器，則編譯為4 bytes，而使用MS VC++則編譯為2 bytes。我們這里使用的是 GNU 的 arm-elf-gcc，這是一個免費并且開放源碼的編譯器。相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義如下，如圖5所示。