嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II在LPC2119上的移植方法和技巧

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I2C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)鐘及看門狗等，通過片內(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的訪問速度相對(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)分配專門的堆?？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。

編寫啟動(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)代碼的編寫很長(zhǎng)，而本文只是想指出編寫啟動(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：

定義不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型：

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

定義開關(guān)信號(hào)量： extern OS_STK OsEnterSum

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);

}

編寫如void OSInitHookBegin ( )、void OSInitHookEnd ( )、void OSTaskCreateHook ( )、void OSTaskDelHook ( )等鉤子函數(shù)，用戶可根據(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OSIntCtxSw代碼

由于篇幅所限，這里給出OSIntCtxSw函數(shù)原型，可由此編寫代碼。源代碼詳見參考文獻(xiàn)[1]。

void OSIntCtxSw(void)

{

調(diào)用用戶定義的OSTaskSwHook();

STCBCur=OSTCBHighRdy;

SPrioCur=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;

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)的移植說明可見參考文獻(xiàn)[1].為了驗(yàn)證移植成功與否，你可以編寫一個(gè)簡(jiǎn)單用戶程序(例如通過串口通訊在PC界面顯示字符)與mC/OS-II一起編譯燒寫進(jìn)芯片來檢驗(yàn)，筆者已經(jīng)試驗(yàn)成功。

需要避免的錯(cuò)誤

用戶程序中的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)的不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型。

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)堆棧訪問也是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)開發(fā)板，已經(jīng)成功把μC/OS-II移植到該開發(fā)板上。如果用戶對(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。