嵌入式系統(tǒng)µC/OS-II在LPC2119上的移植方法和技巧

摘要：本文在分析實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)mC/OS-II和LPC2119芯片的基礎(chǔ)上，對(duì)mC/OS-II向處理器上移植前需要了解的知識(shí)和需要做的前期準(zhǔn)備工作進(jìn)行了分析和討論，最后給出了移植的具體工作。論文著重分析了mC/OS-II的移植。

µC/OS-II是一個(gè)完整的，可移植、可固化、可裁減的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它功能強(qiáng)大，支持56個(gè)用戶(hù)任務(wù)，支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。公開(kāi)源代碼，程序可讀性強(qiáng)、移植性好，同時(shí)可免費(fèi)獲得。

LPC2119是由PHILIPS生產(chǎn)的一款32位ARM7TDMI-S微處理器，其核心為高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，并具有高密度的16位指令集和極低的功耗。具有零等待128K字節(jié)的片內(nèi)FLASH，16K的SRAM，無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、可靠。

表1

本文主要討論µC/OS-II在LPC2119上的移植，同時(shí)對(duì)移植前需要掌握的基本知識(shí)進(jìn)行了分析，特別是對(duì)與移植密切相關(guān)的三個(gè)文件進(jìn)行了詳細(xì)分析，還對(duì)用到的芯片的重映射概念進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

LPC2119簡(jiǎn)介

LPC2119片上資源除了上面介紹的存儲(chǔ)器外，還有2個(gè)UART、高速I(mǎi)2C接口、2個(gè)SPI接口、6路輸出的PWM單元、4路10位AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)CAN通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看門(mén)狗等，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。
                       
由于下文啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)要用到重映射(remap)的概念，LPC2119以及其它系列的芯片如AT91等也都有重映射的功能，所以在此加以說(shuō)明對(duì)其它ARM芯片的學(xué)習(xí)具有借鑒作用。

在ARM芯片的存儲(chǔ)器中，異常向量表如表1所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，程序?qū)⒆詣?dòng)從0地址處開(kāi)始執(zhí)行，因此在系統(tǒng)的初始狀態(tài)，要求0地址處的存儲(chǔ)器是非易性的ROM或Flash等。但是ROM或Flash的訪(fǎng)問(wèn)速度相對(duì)較慢，每次中斷發(fā)生后，都要從讀取ROM或Flash上的向量表開(kāi)始，影響了中斷響應(yīng)速度。因此，LPC2119提供一種靈活的地址重映射方法，該方法可以將內(nèi)部RAM的地址重新映射到0x0的位置。在系統(tǒng)執(zhí)行重映射命令之前，需要將Flash中的中斷向量代碼拷貝到內(nèi)部RAM中。這樣在重映射命令執(zhí)行之后相當(dāng)于從內(nèi)部RAM中0x0的位置找到中斷向量，而實(shí)際上是將RAM的起始地址0x40000000映射為0x0了。這樣，中斷執(zhí)行時(shí)相當(dāng)于在RAM中找到對(duì)應(yīng)中斷向量，實(shí)現(xiàn)異常處理調(diào)試。

µC/OS-II的介紹

µC/OS-II實(shí)際上是一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核提供的基本服務(wù)就是任務(wù)切換。在µC/OS-II中，為每個(gè)任務(wù)分配專(zhuān)門(mén)的堆?？臻g。µC/OS-II進(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)候，會(huì)把當(dāng)前任務(wù)的CPU寄存器放到此任務(wù)的堆棧中，然后再?gòu)牧硪粋€(gè)任務(wù)的堆棧中恢復(fù)原來(lái)的工作寄存器，繼續(xù)運(yùn)行另一個(gè)任務(wù)。所以，寄存器的入棧和出棧是µC/OS-II多任務(wù)調(diào)度的基礎(chǔ)。

圖1  µC/OS-II硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)

µC/OS-II的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，與處理器相關(guān)的代碼只有三個(gè)文件，一般移植的時(shí)候只要修改這三個(gè)文件就可以了。{{分頁(yè)}}

編寫(xiě)啟動(dòng)代碼

啟動(dòng)代碼是芯片復(fù)位后進(jìn)入C語(yǔ)言的main()函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行C語(yǔ)言程序提供基本運(yùn)行環(huán)境，如初始化外圍部件、存儲(chǔ)器系統(tǒng)等。因此啟動(dòng)代碼的功能有些類(lèi)似PC機(jī)中的BIOS和VxWorks中的Bootloader。由于飛利浦未提供該芯片的啟動(dòng)代碼，所以需要自己編寫(xiě)啟動(dòng)代碼。

啟動(dòng)代碼可以劃分為五個(gè)文件：Startup.s、IRQ.s、stack.s、heap.s和target.c。Startup.s包含了前面提到的異常向量表和系統(tǒng)初始化代碼，一般無(wú)需改動(dòng)；IRQ.s包含中斷服務(wù)程序與C程序的接口代碼，可根據(jù)實(shí)際使用的中斷情況進(jìn)行少量修改；stack.s和heap.s保存C語(yǔ)言使用的堆和棧的開(kāi)始位置；target.c包含目標(biāo)板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標(biāo)板初始化程序，可根據(jù)程序的需要修改。

圖2  系統(tǒng)基本初始化Tar get Peset1 ni t()流程圖

由于啟動(dòng)代碼的編寫(xiě)很長(zhǎng)，而本文只是想指出編寫(xiě)啟動(dòng)代碼是移植前必須做的準(zhǔn)備工作并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，因此在這里就不具體列出所有代碼(具體的啟動(dòng)代碼見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1])，而給出一個(gè)很重要的目標(biāo)板初始化程序中的函數(shù)TargetResetInit()的流程圖，從中可以看出在進(jìn)入main()函數(shù)前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的基本初始化工作的具體步驟。

移植

有了上面的知識(shí)和編寫(xiě)啟動(dòng)代碼這項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，就可以進(jìn)入具體移植階段了。主要完成以下工作：
① 為了增強(qiáng)代碼的可移植性，所有C文件添加頭文件includes.h。
② 用戶(hù)程序添加config.h。
③ 在文件OS_CPU.H中需要添加或修改的主要代碼有：
  定義不依賴(lài)于編譯器的數(shù)據(jù)類(lèi)型：
typedef unsigned char   INT8U;
typedef unsigned short  INT16U;
typedef unsigned int    INT32U;
typedef INT32U       OS_STK;

  使用軟中斷SWI作底層接口：
__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void);          /*  任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)  */
__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void);        /*  運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù) */
__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void);   /*關(guān)中斷 */
__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void);     /*  開(kāi)中斷 */

__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void);      /*  任務(wù)切換到系統(tǒng)模式 */
__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void);     /* 任務(wù)切換到用戶(hù)模式 */
   #define OS_STK_GROWTH    1          /* 堆棧是從上往下長(zhǎng)的*/
  定義工作模式：
#define     USR32Mode       0x10             /* 用戶(hù)模式 */
#define     SYS32Mode       0x1f              /*  系統(tǒng)模式*/
#define     NoInt            0x80
#ifndef     USER_USING_MODE
#define   USER_USING_MODE  USR32Mode   /*  任務(wù)缺省模式*/
#endif
  定義開(kāi)關(guān)信號(hào)量：    extern  OS_STK  OsEnterSum {{分頁(yè)}}
④ 在文件OS_CPU_C.C中需要添加或修改的代碼：
  OS_ENTER_CRITICAL()代碼
__asm
 {    MRS     R0, SPSR
      ORR     R0, R0, #NoInt
      MSR     SPSR_c, R0
 }
 OsEnterSum++;
   OS_EXIT_CRITICAL()代碼
if (--OsEnterSum == 0)
 {  __asm
     {    MRS     R0, SPSR
          BIC     R0, R0, #NoInt
          MSR     SPSR_c, R0
       }
  }
   編寫(xiě)任務(wù)堆棧的初始化代碼：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{  OS_STK  *stk;
opt  = opt;              /* 'opt'  沒(méi)有使用。作用是避免編譯器警告 */
    stk  = ptos;      /* 獲取堆棧指針*/
                         /* 建立任務(wù)環(huán)境，使用滿(mǎn)遞減堆棧 */
    *stk = (OS_STK) task;     /* pc */
    *--stk = (OS_STK) task;    /* lr */
    *--stk = 0;                       /* r12 */
                                   /*r11r2*/
    *--stk = 0;                /* r1 */
    *--stk = (unsigned int) pdata;            /* r0,第一個(gè)參數(shù)使用R0傳遞 */
    *--stk = (USER_USING_MODE|0x00);   /* spsr，允許 IRQ, FIQ 中斷 */
    *--stk = 0;                           /* 關(guān)中斷計(jì)數(shù)器OsEnterSum; */
    return (stk);
}
   編寫(xiě)如void OSInitHookBegin ( )、void OSInitHookEnd ( )、void OSTaskCreateHook ( )、void OSTaskDelHook ( )等鉤子函數(shù)，用戶(hù)可根據(jù)需要自行添加代碼。
⑤ 在文件OS_CPU_A.S中需要添加或修改的代碼：
   編寫(xiě)運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy()調(diào)用的__OSStartHighRdy代碼
__OSStartHighRdy
        MSR     CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)
        LDR     R4, =OSRunning
        MOV     R5, #1
        STRB    R5, [R4]
 BL      OSTaskSwHook                   
 LDR     R6, =OSTCBHighRdy
        LDR     R6, [R6]
        B       OSIntCtxSw_1
   編寫(xiě)OSIntCtxSw代碼
由于篇幅所限，這里給出OSIntCtxSw函數(shù)原型，可由此編寫(xiě)代碼。源代碼詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。
void OSIntCtxSw(void)
{ 
 調(diào)用用戶(hù)定義的OSTaskSwHook()；
OSTCBCur=OSTCBHighRdy;
OSPrioCur=OSPrioHighRdy;
得到需要恢復(fù)的任務(wù)的堆棧指針；
堆棧指針=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
將所有處理器寄存器從新任務(wù)的堆棧中恢復(fù)出來(lái)；
執(zhí)行中斷返回指令；
}
由于篇幅所限，以上給出了移植時(shí)需要修改的與處理器相關(guān)的三個(gè)文件中的主要代碼，當(dāng)然更詳細(xì)的移植說(shuō)明可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1].為了驗(yàn)證移植成功與否，你可以編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單用戶(hù)程序(例如通過(guò)串口通訊在PC界面顯示字符)與mC/OS-II一起編譯燒寫(xiě)進(jìn)芯片來(lái)檢驗(yàn)，筆者已經(jīng)試驗(yàn)成功。

需要避免的錯(cuò)誤
   用戶(hù)程序中的includes.h要修改為config.h，這是因?yàn)楹笳甙饲罢吆吞囟ǖ念^文件以及配置項(xiàng)。
   數(shù)據(jù)類(lèi)型的定義不能直接使用C中的short、int、long等，因?yàn)樗鼈兣c處理器類(lèi)型有關(guān)，隱含著不可移植性，所以在OS_CPU.H中定義移植性強(qiáng)的不依賴(lài)于編譯器的數(shù)據(jù)類(lèi)型。
   必須定義堆棧的生長(zhǎng)方向，1表示堆棧從上往下長(zhǎng)，0表示堆棧從下往上長(zhǎng)，ARM處理器兩種方式都支持，但使用的ADS編譯器僅支持從上往下長(zhǎng)的方式，因此必須定義為1，否則將發(fā)生寄存器值入棧錯(cuò)誤。
   注意任務(wù)堆棧初始化函數(shù)中的stk指針定義成INT32U，這是因?yàn)槲覀兊奶幚砥魇?2位的，對(duì)堆棧操作也是4字節(jié)對(duì)齊的。如果處理器是16位的，且對(duì)堆棧訪(fǎng)問(wèn)也是2字節(jié)對(duì)齊的，就要將stk定義成INT16U，否則將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。

結(jié)語(yǔ)

µC/OS-II具有很好的可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性，很適合于工業(yè)控制、通信等對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的領(lǐng)域。筆者采用廣州周立功公司的EASYARN2100試驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，已經(jīng)成功把µC/OS-II移植到該開(kāi)發(fā)板上。如果用戶(hù)對(duì)ARM處理器及相關(guān)底層硬件和µC/OS-II有一定了解，參照本文，對(duì)將µC/OS-II移植到LPC21xx系列ARM處理器上大有幫助?！?/P>