使用ADS移植uC/OS-II的實(shí)例分析

（ 清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 北京， 100084 ）

摘 要：    本文介紹了使用 ARM 公司提供的 ADS 開發(fā)工具，進(jìn)行移植 uC/OS-II 的工作。結(jié)合基于 StrongARM 評估板的硬件結(jié)構(gòu)，對移植工作中的若干要點(diǎn)做了詳細(xì)分析。最后，給出了移植體會和程序技巧分析。
關(guān)鍵詞：  ADS  uC/OS-II  StrongARM  移植  

一、    選擇開發(fā)工具
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，開發(fā)工具的選取是一個重要的考慮因素，通常這是與開發(fā)項目的需求和應(yīng)用背景相關(guān)。一般嵌入式開發(fā)工具包含用于目標(biāo)系統(tǒng)的交叉編譯器、連接器、調(diào)試器以及輔助處理用的二進(jìn)制文件分析工具等。
目前可以用來編譯鏈接產(chǎn)生 ARM 處理器執(zhí)行代碼的開發(fā)工具主要有如下幾類：
1.    ARM 公司提供的 ARM Developer Suite 集成開發(fā)環(huán)境
主要工具有 armasm、armcc、armlink、fromelf 等。
2.    GNU 組織提供的 tool chain for arm 
主要工具有 arm-elf-gcc、arm-elf-gdb、arm-elf-objcopy 等
3.    Microsoft公司提供的 eMbedded Visual Tools 
主要工具有 clarm、clthumb、c2_arm、link、lib等
    這里我們選用 ARM 公司提供的 ADS 下的工具集來編譯我們的程序和鏈接目標(biāo)代碼并最終生成可執(zhí)行的二進(jìn)制映像。這里介紹一下主要會用到的一些工具：
armasm.exe ： 匯編文件編譯器
armcc.exe  ： C 文件編譯器
armlink.exe ： 目標(biāo)文件連接器
fromelf.exe ： 用于將 axf 或者 elf 格式轉(zhuǎn)換成其他格式的文件，例如二進(jìn)制映像。
armprof.exe ： 對調(diào)試過程中生成的 profiling 記錄文件做分析用的工具軟件

二、    存儲空間分配
1.    存儲器組織
StrongARM 存儲器組織主要分4個部分：
1)    0h0000 0000 ~ 0h3FFF FFFF
用于靜態(tài)存儲器 ROM、SRAM、FLASH
2)    0h4000 0000 ~ 0h8FFF FFFF
用于靜態(tài)存儲器和各種 I/O 器件
3)    0h8000 0000 ~ 0hBFFF FFFF
包括所有片內(nèi)寄存器，主要用于外圍控制、系統(tǒng)控制、存儲擴(kuò)展、LCD和DMA。
4)    0hB000 0000 ~ 0hFFFF FFFF
用于動態(tài)存儲器，DRAM、SDRAM等
2.    堆棧空間分配
| 0xc2000000 -------- 系統(tǒng)堆棧從 0xc2000000 開始向下增長 
|                     其中 0xc2000000 為 svc 態(tài)的堆棧棧底
|                          0xc1000000 為 irq 態(tài)的堆棧棧底
| SDRAM (32M)    
| 
| 0xc0000000 -------- rw-base  這里是程序的 rw 段，包括 uC/OS-II 的任務(wù)堆棧空間
| 
: 
| 
| 0x02000000 -------- 
| 
| FLASH ROM (32M)     
|                     從 0x00000000 開始依次放置跳轉(zhuǎn)指令，即異常向量表
| 0x00000000 -------- ro-base 這里是程序的 text 段和 ro 段

三、    啟動代碼
由于板子的 0x0 地址處是 32M 的Flash ROM，因此在板子加電后，會從 Flash 中順序執(zhí)行啟動代碼。為了能使得 uC/OS-II 運(yùn)行，啟動代碼需要完成如下工作：
1.    設(shè)置 異常向量表，即在 0x0 – 0x1c 位置放置7條跳轉(zhuǎn)指令（其中 0x14 為空）
2.    分別實(shí)現(xiàn)每種異常的處理程序，其中包括 Reset_Handler、Undefined_Handler、SWI_Handler、Prefetch_Handler、Abort_Handler、IRQ_Handler、FIQ_Handler。
3.    程序從 Reset_Handler 進(jìn)入后，需要首先進(jìn)行相關(guān)硬件的初始化操作，例如 初始化SDRAM、CPU speed、Interrupt Controller、UART、timer 等。
4.    建立每種異常狀態(tài)下的系統(tǒng)堆棧，為了簡單起見可以只在 svc 態(tài) 和 irq 態(tài)下的建立堆棧：setup_svc_stack ，setup_irq_stack。
5.    強(qiáng)制 ARM 處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 svc 管理態(tài)。
6.    跳轉(zhuǎn)到uC/OS-II 代碼的 main 入口，實(shí)際上是編譯鏈接后產(chǎn)生的 __main 入口。{{分頁}}

四、    時鐘與中斷處理
1.    時鐘控制邏輯
 
在上圖中，有4種和系統(tǒng)時鐘相關(guān)寄存器，它們的含義如下：
l    OSCR:  一個自動遞增計數(shù)的 32 位計數(shù)器。
l    OSMR3-0:  4 個 32 位的匹配寄存器，當(dāng) OSCR 的值匹配時產(chǎn)生中斷。
l    OSSR:  狀態(tài)寄存器，當(dāng) OSCR 和 OSMR 匹配時，會對 OSSR 做標(biāo)志。
l    OIER:  使能寄存器，表示當(dāng)匹配發(fā)生時，允許在 OSSR 設(shè)置一個標(biāo)識位。
OSCR 在自動累加的過程中，與OSMR里面設(shè)定的那些匹配寄存器進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)有匹配的事件時，就會對 OSSR 中的相應(yīng)位置設(shè)一個標(biāo)志位“1”，表示OSCR與對應(yīng)的OSMR 發(fā)生了匹配。當(dāng)然這個匹配發(fā)生的前提是發(fā)生匹配的那個OSMR在OIER中的相應(yīng)位被使能，否則OSMR中的設(shè)置將不起作用。
2.    系統(tǒng)時鐘初始化流程
uC/OS-II 中創(chuàng)建的第一個任務(wù)將負(fù)責(zé)啟動時鐘節(jié)拍，時鐘的初始化設(shè)置流程如下：
1） 設(shè)置 OSMR0 = x ，表示 初始化 OSMR0，即當(dāng)計數(shù)器為x時發(fā)生匹配
2） 設(shè)置 OSSR = 0xf ，表示 清除所有已經(jīng)發(fā)生的匹配，寫“1”清除
3） 設(shè)置 OIER = OIER_EO ，表示 使能 OSMR0 來產(chǎn)生匹配
4） 設(shè)置 OSCR = 0 ，表示 初始化計數(shù)器的開始值 為 0
3.    系統(tǒng)時鐘中斷復(fù)位
1） 清除 OSSR 中的相應(yīng)位，即向發(fā)生匹配的OSMR的那個對應(yīng)位寫“1”
2） 設(shè)置 OSCR = 0 ，表示 繼續(xù)初始化計數(shù)器的值為 0 
4.    中斷控制器相關(guān)的寄存器
l    ICPR:  中斷標(biāo)示寄存器，表示了當(dāng)前系統(tǒng)正處于激活狀態(tài)的中斷源。
l    ICMR:  中斷屏蔽寄存器，用來屏蔽相應(yīng)位的中斷。
l    ICLR:  中斷級別設(shè)置寄存器，設(shè)定報告中斷的級別是 IRQ 或者是 FIQ 。
l    ICIP:  IRQ 級別的中斷源寄存器，用來標(biāo)識 IRQ 中斷發(fā)生的源設(shè)備。
l    ICFP:  FIQ 級別的中斷源寄存器，用來標(biāo)識 FIQ 中斷發(fā)生的源設(shè)備。
 
5.    中斷控制器初始化流程
1） 設(shè)置 ICMR 屏蔽位為不屏蔽時鐘中斷 OSMR0 （相應(yīng)位寫“1”）
2） 設(shè)置 ICLR 為都報告為 IRQ 級別（所有位寫“0”） {{分頁}}

五、    移植工作總結(jié)
1.    難點(diǎn)分析
移植 uC/OS-II 到 StrongARM 的芯片上，基本上和移植到 ARM7 的芯片例如S3C4510，AT91x等工作類似，因為所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，這使得移植工作變得相對簡單，其中絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.S 文件的移植，這個文件的實(shí)現(xiàn)集中體現(xiàn)了所要移植到處理器的體系結(jié)構(gòu)和uC/OS-II 的移植原理；在這個文件里，最困難的工作主要是在 OSIntCtxSw 和 OSTickISR 這兩個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)上。因為它們的實(shí)現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關(guān)硬件定時器、中斷寄存器的設(shè)置有關(guān)。在實(shí)際的移植工作中，這兩個地方也是比較容易出錯的地方。
OSIntCtxSw 最重要的作用就是它完成了在中斷ISR中直接進(jìn)行任務(wù)切換，從而提高了實(shí)時響應(yīng)的速度。它發(fā)生的時機(jī)是在 ISR 執(zhí)行到 OSIntExit 時，如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級的任務(wù)因為等待的 time tick 到來獲得了執(zhí)行的條件，這樣就可以馬上被調(diào)度執(zhí)行，而不用返回被中斷的那個任務(wù)之后再進(jìn)行任務(wù)切換，因為那樣的話就不夠?qū)崟r了。
實(shí)現(xiàn) OSIntCtxSw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過調(diào)整 sp 堆棧指針的方法，根據(jù)所用的編譯器對于函數(shù)嵌套的處理，通過精確計算出所需要調(diào)整的 sp 位置來使得進(jìn)入中斷時所作的保存現(xiàn)場的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數(shù)嵌套內(nèi)部發(fā)生任務(wù)切換，使得高優(yōu)先級的任務(wù)能夠最快的被調(diào)度執(zhí)行。但是這個辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數(shù)的設(shè)置相關(guān)，需要較多技巧。
另一種是設(shè)置需要切換標(biāo)志位的方法，在 OSIntCtxSw 里面不發(fā)生切換，而是設(shè)置一個需要切換的標(biāo)志，等函數(shù)嵌套從進(jìn)入 OSIntExit => OS_ENTER_CRITICAL() => OSIntCtxSw() => OS_EXIT_CRITICAL() => OSIntExit退出后，再根據(jù)標(biāo)志位來判斷是否需要進(jìn)行中斷級的任務(wù)切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計算，但是從實(shí)時響應(yīng)上不是最快，不過這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。
在中斷態(tài)下進(jìn)行任務(wù)切換，需要特別說明的一個問題是如何獲得被中斷任務(wù)的 lr_svc 。因為進(jìn)入中斷態(tài)后，lr 變成了lr_irq ，原來任務(wù)的 lr_svc 無法在中斷態(tài)下獲得，這樣要得到 lr_svc ，就必須在中斷 ISR 里面進(jìn)行一次 cpu mode 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，即對 CPSR 賦值為0x000000d3 ，只有返回到 svc 態(tài)之后才能得到 原來任務(wù)的 lr ，這個對于任務(wù)切換很重要。還有一個需要留意的問題是在強(qiáng)制 CPSR 變成 svc 態(tài)之后，SPSR 也會相應(yīng)地變成 SPSR_irq ，這樣就需要在強(qiáng)制轉(zhuǎn)變之前保存 SPSR ，也就是被中斷任務(wù)中斷前的 CPSR 。
2.    移植中使用的編程技巧
ADS 編譯器在編譯 C 語言的程序時，如果程序中使用了 main 函數(shù)，則編譯器將自動添加如下代碼，完成初始化堆棧和C庫等工作，工作流程如下：
1> 將執(zhí)行文件中的 RO 段和 RW 段從 load address 復(fù)制到 execution address
2> 初始化 ZI 區(qū)域，用 0 來初始化變量
3> 跳轉(zhuǎn)到 __rt_entry 執(zhí)行如下 4 個調(diào)用
3.1> 調(diào)用 __rt_statckheap_init ，建立程序的堆和棧
3.2> 調(diào)用 __rt_lib_init ，初始化程序用到的 C 庫，并為 main 傳遞參數(shù)
3.3> 調(diào)用 main ，即用戶程序的入口
3.4> 調(diào)用 exit
因為系統(tǒng)復(fù)位后，在啟動代碼中已經(jīng)設(shè)置了系統(tǒng)堆棧，同時也不需要使用C庫，因此可以從 __rt_entry 處直接跳轉(zhuǎn)到 uC/OS-II 的代碼中，即直接執(zhí)行 main 函數(shù)，可以用新的 __rt_entry 來作為鏈接的目標(biāo)入口。
    IMPORT    main
    EXPORT    __rt_entry
__rt_entry
    b    main    
    
這樣在啟動代碼的最后，加入一條跳轉(zhuǎn)語句：
    bl    __main
__main 入口是用戶程序執(zhí)行的真正入口，我們利用 ARMCC 編譯 C 里面的 main 入口以求得到 1> 和 2> 的代碼，使得可以支持全局變量。否則的話，必須自己來實(shí)現(xiàn)全局變量的初始化或者把這些初始化操作放到函數(shù)內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)。

另外一個非常有用的編程技巧是通過串口實(shí)現(xiàn)自己的 printf 輸出。 如果使用ARMCC編譯器的 semihosting 的話，會把 printf 通過 target 的 swi 0x123456 輸出。如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的 serial_putchar 之類的函數(shù)，那么可以用它來實(shí)現(xiàn) fputc 接口，也就是低級的輸出函數(shù)，這樣就可以使用 printf 來輸出了，詳細(xì)的做法在 ADS 安裝目錄下面的文檔里可以找到，這里就不再贅述。


【參考文獻(xiàn)】
1．    ARM Architecture Reference Manual ， http://www.arm.com
2．    StrongARM SA1110 Manual ，http://www.intel.com
3．    《uC/OS-II －源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)》，Jean J.Labrosse 著，劭貝貝譯，
中國電力出版社，2001年出版
4．    uC/OS 網(wǎng)站，http://www.ucos-ii.com

作者簡介：李明（1978～），男，清華大學(xué)碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。
導(dǎo)師：賈培發(fā)教授，清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任。
聯(lián)系電話：010-62782266-8417(lab)   62775212(home)
電子郵件：lmcs00@mails.tsinghua.edu.cn
通訊地址：清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室（西主樓1區(qū)417室），100084