嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-II 在S12 單片機(jī)上的移植

摘要：本文介紹嵌入式實(shí)時(shí)操作系μC/OS-II 在飛思卡爾16 位單片機(jī)MC9S12DG128 上的移植過(guò)程。首先對(duì)MC9S12DG128 的體系結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器組織進(jìn)行了分析，然后詳細(xì)論述

了μC/OS-II 移植過(guò)程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了移植過(guò)程。對(duì)移植結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了移植代碼的正確性。

1 引言

在采用前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式的嵌入式系統(tǒng)中，主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，單任務(wù)順序執(zhí)行，通過(guò)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)中斷來(lái)處理異步事件。這種系統(tǒng)對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用是可以

的，但對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的、處理任務(wù)較多的應(yīng)用，就會(huì)暴露出實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)可靠性低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。μC/OS-II 是一個(gè)源代碼公開(kāi)、可移植、可裁剪的實(shí)時(shí)多任

務(wù)操作系統(tǒng)，具有低成本、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)微處理器和微控制器設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它的內(nèi)核可以做到很小，很適合在單片機(jī)系統(tǒng)上移植。移植了μC/OS-II 的嵌入式系統(tǒng)可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無(wú)誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為減化。本

文選用飛思卡爾(Freescale)公司的16 位單片機(jī)MC9S12DG128 作為硬件平臺(tái)，針對(duì)MC9S12DG128 的存儲(chǔ)器組織和體系結(jié)構(gòu)，對(duì)μC/OS-II 源代碼作了相應(yīng)的改寫(xiě)，最終實(shí)

現(xiàn)了μC/OS-II 操作系統(tǒng)在MC9S12DG128 上的移植。通過(guò)μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植，可以掌握移植和測(cè)試μC/OS-II 的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，同時(shí)也很容易將其移植到其它的CPU 平臺(tái)上。

2 MC9S12DG128 的體系結(jié)構(gòu)(存儲(chǔ)器的組織)

作者認(rèn)為深刻理解MC9S12DG128 微控制器的體系結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器組織是移植成功的一個(gè)關(guān)鍵步驟。MC9S12DG128 是16 位的高性能單片機(jī)，它具有極低的電源功耗和可高達(dá)

25MHz 的內(nèi)部總線(xiàn)頻率，片內(nèi)資源包括1KB 的內(nèi)部寄存器、8KB RAM、128KB FLASH、2KBEEPROM。MC9S12DG128 采用普林斯頓總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O 端口為統(tǒng)一編址方式，總的尋址空間為64 KB，但DG128 內(nèi)部有128KB Flash，顯然存儲(chǔ)空間超過(guò)了S12MCU 可尋址的64KB 空間，因此引入了頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，S12CPU 在內(nèi)存的$8000～$BFFF 這一段開(kāi)了一個(gè)窗口，這里有8 個(gè)16KB 的頁(yè)面(其中$3E 和$3F 有固定地址)，可以通過(guò)頁(yè)面寄存器(PPAGE)選擇其中的一頁(yè)。對(duì)于64KB 以外的存儲(chǔ)區(qū)，應(yīng)用專(zhuān)用指令CALL 調(diào)用子程序，然后通過(guò)RTC 指令返回。

微控制器內(nèi)部不同的存儲(chǔ)器占用不同的存儲(chǔ)空間，也就是說(shuō)，不同的地址范圍，它們均占據(jù)特定的地址空間，這些存儲(chǔ)器和內(nèi)部集成模塊的地址分配并不是固定不變的，用戶(hù)自己可以重新分配，但建不要輕易改動(dòng)默認(rèn)的映射空間，應(yīng)直接采用默認(rèn)地址映射空間。圖1 是MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分配情況。其中，地址$0000～$03FF 為1KB 寄存器空間; $0000～$1FFF 為8KB RAM(可見(jiàn)7KB);$0000～$07FF 為2KBEEPROM(不可見(jiàn))。

圖1 MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分布情況

可以通過(guò)設(shè)置INITRG，INITRM，INIteE 寄存器來(lái)重新分配各存儲(chǔ)器的位置。這些寄存器只能寫(xiě)一次，建議在初始化時(shí)分配存儲(chǔ)器的位置。如果映射出現(xiàn)地址重疊時(shí)，S12CPU 內(nèi)部的優(yōu)先級(jí)控制邏輯會(huì)自動(dòng)屏蔽級(jí)別較低的資源，保留級(jí)別最高的資源。寄存器具有最高優(yōu)先級(jí)，與其重疊的RAM 和EEPROM 此時(shí)無(wú)效。存儲(chǔ)器的優(yōu)先級(jí)如下表所列。

3 μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植

μC/OS-II 運(yùn)行時(shí)要占用一部分ROM 和RAM 空間，但μC/OS-II 操作系統(tǒng)內(nèi)核目標(biāo)代碼最小可以裁剪到小于2KB，MC9S12DG128 有8KB 的RAM 存儲(chǔ)器和128KB 的Flash 存

儲(chǔ)器，所以μC/OS-II 操作系統(tǒng)完全可以移植并運(yùn)行在MC9S12DG128 上。

μC/OS-II 的95%代碼是由ANSI C 寫(xiě)成的，具有很好的移植性。要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II向S12 的移植，主要是做兩方面的工作，一是重新定義內(nèi)核的大小和功能;二是為內(nèi)核編寫(xiě)與硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)

可以看到，μC/OS-II 與CPU 類(lèi)型無(wú)關(guān)的C 代碼文件包括很多文件，它們是μC/OS-II的內(nèi)核和很多功能函數(shù)，其中OS_CORE.C、OS_TIME.C 和OS_TASK.C 這三個(gè)文件是一定要用的，其他幾個(gè)文件用于任務(wù)間通信，應(yīng)用程序中可能只用到其中的幾個(gè)，不用的可以不包含進(jìn)去，以避免編譯時(shí)生成沒(méi)有代碼。這部分代碼與CPU 類(lèi)型無(wú)關(guān)，在移植時(shí)，這些文件一個(gè)也不要?jiǎng)印?/p>

與CPU 類(lèi)型有關(guān)的代碼文件主要有：OS_CFG.H、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPUC.C。OS_CFG.H 是配置文件，需要根據(jù)應(yīng)用配置，主要作用是確定用戶(hù)應(yīng)用程序使用μC/OS-II 提供的哪些系統(tǒng)功能函數(shù)，這個(gè)文件移植時(shí)要修改。OS_CPU.H 文件定義用于特定CPU 的數(shù)據(jù)類(lèi)型、定義相關(guān)的宏。OS_CPU_A.ASM 是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的硬件有關(guān)的代碼，OS_CPUC.C 文件是用C 語(yǔ)言寫(xiě)的與硬件有關(guān)的代碼。如果移植使用的C 交叉編譯工具在C 代碼中可以插入?yún)R編語(yǔ)句，那么在移植中，可以將OS_CPU_A.ASM 合到S_CPUC.C文件中。

3.1 重新定義內(nèi)核的大小和功能

公共頭文件INCLUDES.H，這個(gè)文件會(huì)被所有的C 源程序引用。在本例中此文件的代碼如下。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

前四個(gè)頭文件是C 函數(shù)庫(kù)、預(yù)定義的類(lèi)型等，和移植沒(méi)有關(guān)系，是否一定要加取決于所用的編譯器。后三個(gè)頭文件必須被引用，用戶(hù)可以添加自己的頭文件，但一定要放

在最后面。

需要根據(jù)應(yīng)用修改的文件是OS_CFG.H，這個(gè)文件用于配置內(nèi)核的屬性。用于設(shè)置與微控制器CPU 核心相關(guān)的屬性，包括各種數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)長(zhǎng)度等等。OS_CPU.H 包括了用#define 語(yǔ)句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏及類(lèi)型等。因?yàn)椴煌奶幚砥饔胁煌淖珠L(zhǎng)，所以μC/OS-II 的移植包括的一系列數(shù)據(jù)類(lèi)型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II 代碼不使用語(yǔ)言中的short，int，及l(fā)ong 等數(shù)據(jù)類(lèi)型，因?yàn)樗鼈兪桥c編譯器相關(guān)的，是不可移植的。采用定義的整形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等既是可移植的，又很直觀(guān)。