uC/OS-II在ADSP—BF531上的移植

摘　要：介紹源代碼公開的實(shí)時操作系統(tǒng)μC／OS-II的特點(diǎn)、內(nèi)核結(jié)構(gòu)及ADSP—BF53l的硬件特征，同時給出將μC／0S-II移植到ADSP-BF531型數(shù)字信號處理器上的詳細(xì)步驟和關(guān)鍵代碼。

關(guān)鍵詞：RTOS；μC／OS-II；ADSP-BF53l；移植

引言

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛，對人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。通常，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分都應(yīng)用了實(shí)時操作系統(tǒng)(簡稱RTOS)，在特定的RTOS之上開發(fā)應(yīng)用軟件，可以讓程序開發(fā)人員屏蔽掉許多底層硬件細(xì)節(jié)，提高軟件功能設(shè)計效率，簡化開發(fā)難度，同時使得程序調(diào)試方便，移植簡單，易維護(hù)，大大縮短開發(fā)周期，RTOS也因此越來越受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞。目前實(shí)時操作系統(tǒng)很多，如VxWorks、Windows CE、pSOS等，但這些軟件的價格和使用成本(版權(quán)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等)都十分昂貴，因此商業(yè)級RTOS軟件在使用上受到諸多的限制。而μC／OS-II則不同，它的源代碼是全部公開的，并且完全免費(fèi)，是一個自由操作系統(tǒng)，程序開發(fā)人員可以改寫其中的源代碼使之符合自己的要求。由于其極強(qiáng)的可移植性和可裁減性，用戶可以根據(jù)自己的需要，裁剪掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧靈活，同時又能夠滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。μC／OS-II的可靠性完全可以與商業(yè)級RTOS軟件相媲美，因此筆者在移植過程中選用了這一實(shí)時操作系統(tǒng)。

1 ADSP—BF531的硬件特征

　　Blackfin系列中的ADSP—BF531型數(shù)字信號處理器是由ADl和Intel公司合作，針對音頻和視頻信號的編解碼、手持設(shè)備和移動通信設(shè)備而研發(fā)的16位定點(diǎn)處理器，是建立在微信號架構(gòu)基礎(chǔ)之上，集高性能數(shù)字信號處理器與微控制器于一身。ADSP-BF53l的內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)400MHz，處理器內(nèi)核中包含2個16位MAC、2個40位ALU及4個8位ALU。專門用于視頻信號的處理；還集成了許多片上外設(shè)，包括硬件UART、SPI接口、PPI接口、同步串口、看門狗電路、16個GPIO接口等。為了達(dá)到降低功耗的目的，該處理器具有多種工作模式，同時通過編程還可以動態(tài)改變處理器內(nèi)核的工作頻率和電壓．這些特性都為手持設(shè)備提供了絕佳的選擇。用戶可以利用ADI公司提供的VisualDSP++3.0(或更高版本)集成開發(fā)環(huán)境對處理器進(jìn)行編程、調(diào)試和開發(fā)。

2 實(shí)時操作系統(tǒng)介紹

　　μC／OS-II是一種專門為微處理器設(shè)計的占先式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、可移植性和可裁減性強(qiáng)、代碼可固化、穩(wěn)定性和可靠性高等特點(diǎn)。其內(nèi)核主要提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理等服務(wù)，系統(tǒng)最多可以支持64個任務(wù)(8個留于系統(tǒng))，每個任務(wù)均有自己獨(dú)立的優(yōu)先級。由于內(nèi)核為占先式的，因此總是運(yùn)行優(yōu)先級最高的任務(wù)。系統(tǒng)提供了豐富的函數(shù)可供調(diào)用，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信和切換。μ／OS-II的大部分代碼都是使用標(biāo)準(zhǔn)的A-NIS C編寫的．只有與處理器相關(guān)的一部分代碼使用匯編語言．因此具有極強(qiáng)的移植性，在大多數(shù)8位、16位和32位處理器上都能穩(wěn)定的運(yùn)行。

　　圖1示出μC／OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，要實(shí)現(xiàn)μC／OS-II的移植，必須為其編寫OS_CPU.H、0S_CPU_C．C和OS_CPU_A.ASM 3個文件，這3個文件都與處理器的硬件特性相關(guān)，提供任務(wù)切換和系統(tǒng)時鐘功能。其余源文件的代碼都是公開的，可以直接從μC／OS-II的官方網(wǎng)站下載。

3對編譯器的要求

　　雖然μC／OS-II具有很強(qiáng)的移植性，但在移植時，對處理器的編譯器有如下幾點(diǎn)要求：

　　處理器的C編譯器能夠產(chǎn)生可重人代碼；

　　用C語言可以打開和關(guān)閉中斷；

　　處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時中斷；

　　處理器能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

　　處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?？臻g或內(nèi)存中的指令。

　　ADSP-BF531型處理器的集成開發(fā)環(huán)境Visu-al++3.0通過關(guān)鍵字asm能在C代碼中嵌入?yún)R編語言，同時內(nèi)核定時器可以為系統(tǒng)提供定時中斷，總數(shù)量達(dá)20kbyte的片上數(shù)據(jù)RAM和SP、FP、USP 3個堆棧指針寄存器為操作系統(tǒng)各任務(wù)提供了豐富的硬件堆?？臻g及對堆棧的方便操作。筆者正是在這些基礎(chǔ)上利用Visual++3.0編譯環(huán)境成功地完成了對ADSP-BF531處理器的μC／OS-II移植。

4 移植μJLC／OS-II

4.1重定義OS_CPIJ．H文件

4.1.1與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型

　　不同的處理器有不同的字長，μC／OS-II不使用C的short、int、long等與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，而是重新定義了一系列類型以確保系統(tǒng)的可移植性，在系統(tǒng)移植時必須在OS_CPU．H頭文件中對這些數(shù)據(jù)類型重新定義，具體內(nèi)容如下：

typedef unsigned char BOOLEAN

typedef unsigned char INT8U

typedef signed char INT8S

typedef unsigned short INTl6U

typedef signed short INTl6S

typedef unsigned int INT32U

typedef signed int INT32S

　　μC／OS-II中的指針根據(jù)處理器堆棧數(shù)據(jù)入口寬度定義為OS_STK類型：

typedef unsigned int OS_STK

4.1.2臨界代碼

　　RTOS在進(jìn)入系統(tǒng)臨界區(qū)之前都必須先關(guān)中斷，退出后再開中斷，μC／OS-II定義了2個宏指令來關(guān)閉／打開中斷：

#define OS_ENTER_CRITICAL0

asm(“cli％O：”：”=d”(InterrupLach))

#define OS_EXIT_CRITICAL()

asm(“sti％0：”：：”=d”(InterrupLaeh))

　　其中InterrupLaeh為一全局變量，用于開關(guān)中斷時

　　IMASK寄存器內(nèi)容的恢復(fù)和保存。

4.1.3堆棧增長方向設(shè)定

　　在OS CPU．H頭文件中還必須根據(jù)處理器堆棧的增長方向?qū)S_STK_GROWTH進(jìn)行宏定義，由于ADSP-BF531是按照由高地址到低地址的結(jié)構(gòu)組織處理器堆棧，因此宏定義如下：

　　#define OS_STK_GROWTH 1

4.1.4 OS_TASK_SW0宏定義

　　OS_TASK_SW0在μC／OS-II從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時被調(diào)用，定義如下：

　　#define OS_TASK_sw() asm(“raise 13；”)

4.2編寫OS_CPU_C．C文件

　　μC／OS-lI的移植要求用戶在OS_CPU_C．C文件中編寫6個簡單的C函數(shù)，其中主要是完成OS-TaskStkInit ()，其余5個函數(shù)可以不作處理。OS-TaskStkInit()負(fù)責(zé)任務(wù)堆棧的初始化，使得任務(wù)堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。不同的編譯器在函數(shù)調(diào)用時有不同的入棧方法，因此在具體實(shí)現(xiàn)時必須根據(jù)處理器的編譯環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。VisualDSP++3.0在函數(shù)調(diào)用時的堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　OSTaskStkInit()調(diào)用時需要傳遞任務(wù)代碼起始地址(task)、用戶參數(shù)指針(pdata)、任務(wù)堆棧頂端的地址(堆棧棧頂指針ptos)、返回參數(shù)為新任務(wù)堆棧棧頂指針，函數(shù)原型如下：

void OSTaskStkInit()

{OS_STK*stk；

stk=(void *)ptos；

opt=opt；

*stk--=fINT32U)pdata；／／用戶數(shù)據(jù)區(qū)

*stk--=fINT32U)(task)；／／RETI寄存器

*stk--=fINT32U)ptos；／／FP寄存器

(由于需要入棧的寄存器數(shù)量比較多，限于篇幅，在此省略其中多數(shù))

*stk--=fINT32U)0； ／／SEQSq、AT寄存器

*stk--=fINT32U)0；／／ASTAT寄存器

retum((void*)stk)；}

　　任務(wù)建立時調(diào)用該函數(shù)對新建任務(wù)的堆棧進(jìn)行初始化，初始化后的堆棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.3編寫OS_CPU_A．ASM文件

　　μC／OS-II移植的最后還需要用戶編寫4個重要的匯編函數(shù)，包括OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()及OSTickISR()。分別介紹如下：

4.3.1 OSStartltighRdy()函數(shù)

　　該函數(shù)由OSStart()調(diào)用，用以運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，其運(yùn)行過程：調(diào)用用戶定義的OS-TaskSwHook()數(shù)→獲取任務(wù)堆棧指針→置位全局

　　變量0SRunning 出棧CPU寄存器 中斷返回。在ADSP-BF531中的實(shí)現(xiàn)如下：

_OSStartHighRdy：

call_OSTaskSwHook；

p0.1=_OSTCBHighRdy；

p0.h=_0STCBHighRdy；

pl=[p0]；

ssync；

sp=[p1]；

p0.1=_OSRunning；

p0.h=_OSRunning；

r0=TRUE；

[p0]=r0;

ASTAT=[sp++]；

SEQSTAT=[sp++]；

FP =[sp++]；

RETI=[sp++；

rti；

4.3.2 OSCtxSw()函數(shù)

　　實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)級的切換是通過處理器的軟中斷實(shí)現(xiàn)的，并且軟中斷服務(wù)例程的向量地址必須指向OSCtxSw()函數(shù)，因此該函數(shù)的匯編程序代碼如下：

_OSCtxSw：

[--sp]=RETI；

[--sp]=FP；

[--sp]=SEQTAT；

[--sp]=ASTAT；

p0.1=_OSTCBCur；

p0.h=_OSTCBCur；

pl=[p0]；

ssync；

[pl]=sp；

call_OSTaskSwHook；

p0.1 =_OSPrioHighRdy；

p0.h=_OSPrioHighRdy；

r0=[p0]；

p0.1=_0SPrioCur；

p0.h=_OSPrioCur；

[p0]=r0；

p0.1=_OSTCBHighRdy；

p0.h=_OSTCBHighRdy；

pl=[p0]；

rO=[p0]；

ssync；

sp=[p1]；

p0.1=_OSTCBCur；

p0.h=_OSTCBCur；

[p0]：r0； 、

ASTAT=[sp++]；

SEQSTAT=[sp++]；

FP：[SP++]；

RETI=[sp++]；

rti；

4.3.3 OSIntCtxSw()函數(shù)

　　OSIntCtxSw()用于實(shí)現(xiàn)中斷級任務(wù)切換，由于該函數(shù)在中斷服務(wù)程序中調(diào)用，因此在函數(shù)代碼中不需要寄存器入棧，但堆棧結(jié)構(gòu)中還包含了一些用戶不需要的函數(shù)調(diào)用返回地址，因此該函數(shù)必須在最初清理堆棧(調(diào)整堆棧指針的位置)，其匯編程序代碼如下：

_OSIntCtxSw：

p0=20；

sp=sp+p0；

p0.1=_OSTCBCur；

p0.h=_OSTCBCur；

pl=[p0]；

ssync；

[p1]=sp；

call_OSTaskSwHook；

p0.1=_OSPrioHighRdy；

p0.h=_OSPrioHighRdy；

r0=[p0]；

p0.1=_OSPrioCur；

p0.h=_OSPfioCur；

[po]=10；

p0.1=_OSTCBHighRdy；

p0.h=_OSTCBHighRdy；

pl=[p0]；

r0=[p0]；

ssync；

sp=[p1]；

p0.1=_OSTCBCur；

p0.h=_0STCBCur；

[po】=r0；

ASTAT=[sp++]；

SEQSTAT=[sp++]；

FP =[sp++]；

RETI=[sp++]；

rti；

4.3.4 OSTicklSR()函數(shù)

　　μ,C／OS-II要求用戶提供一個時鐘資源來實(shí)現(xiàn)時間的延時和期滿功能。筆者在移植過程中使用內(nèi)核定時器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍，并通過定時器中斷服務(wù)例程OSTickISR0實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換等功能，該函數(shù)的匯編程序代碼如下：

_OSTicklSR：

[--sp】=RETI；

[--sp]=FP；

[--sp]=SEQTAT；

[--sp]=ASTAT；

call_OSIntEnter；

call_OSTimeTick；

call_OSIntExit；

ASTAT=[sp++]；

SEQSTAT=[sp++]；

FP =[sp++]；

RETI=[sp++]；

rti；

4.4程序下載及調(diào)試

　　完成以上文件的修改和編寫之后。就可在Vi-sualDSP++3．0環(huán)境中對所有的源文件進(jìn)行編譯和連接，生成處理器可執(zhí)行的．dxe文件，通過JTAG直接下載到處理器內(nèi)核的程序區(qū)運(yùn)行。由于VisualD-SP++3．0提供了強(qiáng)大的調(diào)試功能，用戶能夠很清楚地了解μC／OS--II在處理器內(nèi)的運(yùn)行情況，這無疑也對μC／OS-Ⅱ向ADSP—BF531移植提供了強(qiáng)大的支持。

5 結(jié)束語

　　詳細(xì)介紹了向ADSP—BF531型處理器移植μC／OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)的步驟和與處理器相關(guān)函數(shù)的代碼編寫，并成功地進(jìn)行移植。通過測試，實(shí)時操作系統(tǒng)各任務(wù)之間的調(diào)用、中斷處理、任務(wù)之間的通信等都能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。μC／OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)的使用。將程序員從冗繁的流程圖中解放出來，使得應(yīng)用程序的設(shè)計過程大大簡化，并且程序的可讀性、擴(kuò)展性、可靠性也得到了很大的改善。

關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說明

　　Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權(quán)。Micrium花費(fèi)了大量的時間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費(fèi)軟件，也不是開放源碼的軟件，因此，不能免費(fèi)使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費(fèi)軟件，這是和Linux完全不一樣的。

　　開發(fā)和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個人和學(xué)校學(xué)習(xí)使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權(quán)，包括芯片/單板/系統(tǒng)廠家的任何參考設(shè)計，教學(xué)設(shè)備和最終的產(chǎn)品，如果沒有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權(quán)都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站（www.bmrtech.com）上面中有明確規(guī)定。

　　Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷售模式與μC/OS-II不同，如果沒有購買使用授權(quán)，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設(shè)計，培訓(xùn)，教學(xué)和生產(chǎn)。

　　μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權(quán)方式有：單個產(chǎn)品、產(chǎn)品線（系列）、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數(shù)目收取費(fèi)用的，相對起傳統(tǒng)的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發(fā)費(fèi)用和每塊單板的使用費(fèi)（根據(jù)數(shù)量從數(shù)百到幾個美圓），μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費(fèi)方式，應(yīng)該只是大約相當(dāng)于傳統(tǒng)RTOS 的10-20% 的總體費(fèi)用。

　　如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品，您需要購買并獲得正式使用授權(quán)。

　　北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司