基于MC68HC908GP32的μC/OS-II移植

在前幾講中，介紹了μC/OS-II的概念、工作機制，還介紹了μC/OS-II在Intel 80X86CPU上的移植，相信讀者通信學習，已經(jīng)對移植的過程和步驟有了一定的了解。由于RAM容量的限制，移植就存在一定的困難；但對于有些8位的MCU，將μC/OS-II移植到MOTOROLA MC68H908GP32（以下簡稱GP32）上。

一、在GP32上移植μC/OS-11的主要問題

GP32為韓國Gamepark株式會社自行開發(fā)的掌上游戲機，于2001年10月開始發(fā)售。主機使用3.5英寸TFT-LCD液晶，解決了STN-LCD畫面暗的缺點（GBA存在這樣的問題）同時也解決了畫面殘象的問題，玩動作游戲畫面更流暢。主機參數(shù)

名稱- GP32，LCD- 反射型TFT彩色液晶，畫面尺寸- 3.5英寸，解象度- 320 x 240，表示能力- 65536色，CPU- 32bit RISC-CPU，ROM- 512Kbyte，SDRAM- 8MB，聲音- 16Bit Stereo Sound MIDI 4聲道PCM，通信- RF Network支援，使用電池- 2節(jié)AA電池，電池壽命- 12小時，外部連接端子- USB port，MEDIA- SMC（Smart Card Media）

在第（4）講中，介紹過要移植μC/OS-11，目標處理必須滿足以下要求：

（1）處理器的C編譯器能產生可重入代碼；

（2）用C語言就可以打開和關閉中斷；

（3）處理器支持中斷，并且能產生定時中斷（通常在10～100Hz之間）；

（4）處理器支持足夠的RAM，保存全局變量和作為多任務環(huán)境下的任務堆棧。

（5）處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。

編譯后的μC/OS-II的內核大約有6～10KB；如果只保留最核心的代碼，則最小可壓縮到2KB。RAM的占用與系統(tǒng)中的任務數(shù)有關，任務堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套的層數(shù)。而像MOTOROLA6805系列的8位MCU，由于RAM資源太小且堆棧指針是固定的，不能滿足上面的第（4）條和第（5）條要求，所以μC/OS-II不能在這類處理器上運行。

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務實時操作系統(tǒng)，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。

μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域， 如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局（Federal Aviation Administration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關的安全緊要（safety critical）系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

GP32是68HC08家庭的成員，具有512字節(jié)的片內RAM，32K字節(jié)的片內Flash，8MHz總線時鐘。內部寄存器包括1個8位累加器A，1個16位索引寄存器X，1個16位堆棧指針寄存器SP，1個16位程序指針寄存器PC及1個8位標志寄存器CCR。與6805系列MCU相比，68HC08系列MCU的堆棧指針為16位，可以自由尋址。這就滿足了移植條件（5），且可以使用C編譯器生成代碼。

在GP32上移植μC/OS-II的主要困難還是RAM資源太少。為了移植成功，必須采取措施減少RAM的用量，包括限制系統(tǒng)中的任務數(shù)量、仔細修改μC/OS-II內核、去掉不使用的部分、限制任務的斷嵌套層數(shù)、在任務中盡量減少使用局部變量等等。在采取了上述措施后，可將RAM用量減少到最低。在GP32上移植μC/OS-II更多的是一種演示，能更好地說明μC/OS-II內核的可裁剪性和靈活性。

在本講中將介紹一個移植實例。為了減少RAM用量，在本例中只運行了2個用戶任務。盡量減池一內核中不必要的模塊（包括由箱、消息隊列、內存管理等），去掉了任務掛起、喚醒和刪除等擴展功能，但仍然支持任務的創(chuàng)建和管理，也保留了信號量模塊來用來任務間的通訊。

二、工具和運行環(huán)境

要實現(xiàn)μC/OS-II向GP32的移植，需要一個面向MC68HC08的C編譯器。筆者使用的是HIWARE公司的C編譯器。移植過程同樣適用于MC68HC08家庭的其他成員。

三、移植中所需修改的文件

首先是編寫整個項目的公共頭文件include.h，這個文件定義使用內核中的哪些模塊。Include.h會被所有的C源程序引用。還要修改和CPU相關的三個文件，分別是頭文件OS_CPU08.H、匯編代碼文件OS_CPU08.ASM和C代碼文件OS_CPU08.C。

1.include.h文件

include.h是主頭文件，在所有后綴名為。C的文件的開始都包含include.h文件。文件中可以內核進行裁剪。在本例中定義如下：

　　#define OS_MAX_EVENTS 2 /*共用了2個信號量*/

　　#define OS_MAX_MEM_PART 0 /*不使用內存塊功能*/

　　#define OS_LOWEST_PRIO 20 /*定義最低優(yōu)先級20*/

　　#define OS_TASK_IDLE_STK_SIZE 60 /*定義空閑任務堆棧60字節(jié)*/

　　#define OS_TASK_STAT_EN 0 /*不使用統(tǒng)計任務*/

　　#define OS_MBOX_EN 0 /*不使用消息郵箱功能*/

　　#define OS_MEM_EN 0 /*不包括內存管理部分代碼*/

　　#define OS_TASK_CHANGE_PRIO_EN 0 /*不包括任務優(yōu)先級動態(tài)改變代碼*/

　　#define OS_TASK_CREATE_EN1 /*包括任務創(chuàng)建函數(shù)代碼*/

　　#define OS_TASK_CREATE_EXT_EN 0 /*不包括帶擴展功能的任務創(chuàng)建函數(shù)*/

　　#define OS_TICKS_PER_SEC 10 /*定義每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)*/

對于不同類型的處理器，還需要改寫include.h文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。在安裝μC/OS-II的時候，附帶了幾個移植實例，例如，針對Intel 80X86的代碼安裝到IIL目錄下。我們?yōu)镚P32編寫的移植實例可放在IIHC08下，這樣，為GP32改寫的include.h文件中應該加入下列語句：

　　#include iiHC08_CPU08.ASM

　　#include iiHC08_CPU08.C

　　#include iiHC08_CPU08.H

　　2.OS_CPU08.H文件

　　OS_CPU08.H文件中定義了硬件相關的基本信息：

　　/*數(shù)據(jù)類型*/

　　typedef unsigned short INT16U;

　　typedef signed short INT16S;

　　typedef unsigned long INT32U;

　　typedef signed long INT32S;

　　/*定義堆棧增長方向*/

　　#define OS_STK_GROWTH1 /*堆棧由高地址向低地址增長*/

　　/*定義堆棧單位*/

　　#define OS_STK INT8U

　　/*定義進入臨界代碼區(qū)開關中斷宏*/

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） asm sei

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） asm cli

　　#define OS_TASK_SW（） asm swi

（1）數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)類型在數(shù)據(jù)結構中的定義是一個值的集合以及定義在這個值集上的一組操作。 變量是用來存儲值的所在處；它們有名字和數(shù)據(jù)類型。變量的數(shù)據(jù)類型決定了如何將代表這些值的位存儲到計算機的內存中。在聲明變量時也可指定它的數(shù)據(jù)類型。所有變量都具有數(shù)據(jù)類型，以決定能夠存儲哪種數(shù)據(jù)。

由于不同的處理器有不同的字長，μC/OS-II的移植需要重新定義一系列的數(shù)據(jù)結構。具體字長還和使用的C編譯器有關。在GP32中堆棧是按字節(jié)操作的，堆棧數(shù)據(jù)類型OS_STK聲明為8位。μC/OS-II中所有任務的堆棧都必須用OS_STK聲明。

數(shù)據(jù)類型的出現(xiàn)，是因為電腦內存有限。 把數(shù)據(jù)分成所需內存大小不同的數(shù)據(jù)，編程的時候需要用大數(shù)據(jù)的時候才需要申請大內存，就可以充分利用內存。 例如大胖子必須睡雙人床，就給他雙人床，瘦的人單人床就夠了。

（2）代碼臨界區(qū)

μC/OS-II在進入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前要關閉中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開，從而保護核心數(shù)據(jù)不被多任務環(huán)境下的其他任務或中斷破壞。在GP32中，開關中斷可以通過匯編指令CLI和SEI來實現(xiàn)。所以μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL（）定義為指令SEI，OS_EXIT_CRITICAL（）定義為指令CLI。

（3）堆棧增長方向

GP32的堆棧是由高地址向低地址方向增長的，所以常量OS_STK_GPOWTH必須設置為1。判斷堆棧增長方向

說明：今天看到alloca.c中find_stack_direction函數(shù)，用來判斷堆棧的增長方向，記錄下來。

　　#define ADDRESS_FUNCTION（arg） （arg）

　　/* Define STACK_DIRECTION if you know the direction of stack

　　growth for your system; otherwise it will be automatically

　　deduced at run-time.

　　STACK_DIRECTION > 0 => grows toward higher addresses

　　STACK_DIRECTION 0 => grows toward lower addresses

　　STACK_DIRECTION = 0 => direction of growth unknown */

　　#ifndef STACK_DIRECTION

　　#define STACK_DIRECTION 0 /* Direction unknown. */

　　#endif

　　#if STACK_DIRECTION != 0

　　#define STACK_DIR STACK_DIRECTION /* Known at compile-time. */

　　#else /* STACK_DIRECTION == 0; need run-time code. */

　　static int stack_dir; /* 1 or -1 once known. */

　　#define STACK_DIR stack_dir

　　static void

　　find_stack_direction （）

　　{

　　static char *addr = NULL; /* Address of first `dummy', once known. */

　　auto char dummy; /* To get stack address. */

　　if （addr == NULL）

　　{ /* Initial entry. */

　　addr = ADDRESS_FUNCTION （dummy）；

　　find_stack_direction （）； /* Recurse once. */

　　}

　　else

　　{

　　/* Second entry. */

　　if （ADDRESS_FUNCTION （dummy） > addr）

　　stack_dir = 1; /* Stack grew upward. */

　　else

　　stack_dir = -1; /* Stack grew downward. */

　　}

　　}

　　#endif /* STACK_DIRECTION == 0 */

（4）OS_TASK_SW（）函數(shù)的定義

在μC/OS-II中，OS_TASK_SW（）用來實現(xiàn)任務切換。就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，堆棧中應該按進棧次序設置好各個寄存器的內容。OS_TASK_SW（）函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進行任務切換。GP32中可采用軟中斷指令SWI實現(xiàn)任務切換。中斷服務程序的入口點必須指向匯編函數(shù)OSCtxSw（）。

　　OS_TASK_SW（）的定義：

　　#define OS_TASK_SW（） asm swi

　　3.OS_CPU08.ASM文件

μC/OS-II的移植需要改寫OS_CPU08.ASM中的4個函數(shù)：OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）和OSTickISR（）。

（1）OSStartHighRdy（）函數(shù)

該函數(shù)由SStart（）函數(shù)調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務。在調用OSStart（）之前，必須先調用OSInit（），并且已經(jīng)至少創(chuàng)建了一個任務。為了啟動任務，OSStartHighRdy（）首先找到當前就緒的優(yōu)先級最高的任務（OSTCBHighRdy中保存有優(yōu)先級最高任務的任務控制塊-TCB的地址），并從任務的任務控制塊（OS_TCB）中找到指向堆棧的指針，然后從堆棧中彈出全部寄存器的內容，運行RTE中斷返回。需要說明的是，由于GP32中有512字節(jié)RAM，所以地址指針必須是16位的；而GP32中累加寄存器A為8位，所以用累加器A傳遞地址必須進行兩次讀入、輸出操作。

　　Void OSStartHighRdy（void）

　　{asm

　　{

　　jsr OSTaskSwHook //調用用戶定義接口函數(shù)

　　lda OSRunning //設置OSRunning變量，標志進入多任務模式

　　inca

　　sta OSRunning

　　ldx OSTCBHighRdy //取得最高優(yōu)先級就緒任務TCB地址

　　stx OSTCBCur //保存到OSTCBCur中

　　pshx

　　ldx OSTCBHighRdy:1//保存地址的第二個字節(jié)

　　stx OSTCBCur:1

　　pulh

　　lda 0,X //載放就緒任務堆棧指針

　　psha

　　ldx 1,X //載入就緒任務堆棧指針第二個字節(jié)

　　pulh

　　txs

　　pulh //恢復索引寄存器內容

　　rti //中斷返回，運行新任務

　　}}

（2）OSCtxSw（）函數(shù)

OSCtxSw（）是一個任務級的任務切換函數(shù)（在任務中調用，區(qū)別于在中斷程序中調用的OSIntCtxSw（））。在GP32上實現(xiàn)，可通過執(zhí)行一條軟中斷指令SWI來實現(xiàn)任務切換。軟中斷向量指向OSCtxSw（）。如果OSSched（）將查找當前就緒的優(yōu)先級最高的任務，若不是當前任務，則判斷是否需要進行任務調度，并找到該任務控制塊OS_TCB的地址，將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW（）執(zhí)行軟中斷進行任務切換。在此過程中，變量OSTCBCur始終包含一個指向當前運行任務OS_TCB的指針。OSCtxSw（）的匯編代碼如下：

　　Void OSCtxSw（void）

　　{asm

　　{pshh //保存X寄存器

　　tsx

　　pshx

　　pshh

　　dx OSTCBCur //載入當前任務的TCB指針

　　pshx

　　ldx OSTCBCur:1 //載入TCB的第二個字節(jié)

　　pulh

　　pula

　　sta 0,x //保存當前堆棧指針

　　pula

　　sta 1,x

　　jsr OSTaskSwHook //調用用戶定義的接口函數(shù)

　　lda OSPrioHighRdy //設置OSPrioCur=OSPrioHighRdy

　　sta OSPrioCur

　　pshx

　　ldx OSTCBHighRdy:1

　　stx OSTCBCur:1

　　pulh

　　lda 0,x //載入堆棧指針

　　psha

　　ldx,1,x

　　pulh

　　txs

　　pulh //恢復索引寄存器內容

　　rti //中斷返回，切換任務

　　}}

（3）OSTickISR（）函數(shù)

在μC/OS-II中，當調用OSStart（）啟動多任務環(huán)境后，時鐘中斷的使用是非常重要的。在時鐘中斷程序中負責處理所有與定時相關的工作，如任務的延時、等待操作等等。在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務，判斷是否延時結束，否則將重新進行任務調度。

為GP32編寫的函數(shù)OSTickISR（）的代碼如下：

　　void OSTickISR（）void{

　　asm{

　　pshh

　　LDA T1SC

　　BCLR 7,T1SC //允許中斷嵌套

　　}

　　OsintEnter（）； /*標志進入中斷*/

　　OSTimeTick（）； /*調用時鐘節(jié)拍函數(shù)*/

　　OSlntExit（）； /*標志退出中斷*/

　　Asm{

　　Pulh

　　Rti

　　}}

和μC/OS-II中的其他中斷服務程序一樣，OSTickISR（）首先在被中斷任務堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調用OSIntEnter（）。μC/OS-II要求在中斷服務程序開頭調用OSIntEnter（），其作用是將記錄中斷嵌套層數(shù)的全局變量OSIntNesting加1。如果不調用OSIntEnter（），直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨后，OSTickISR（）調用OSTimeTick（），檢查所有處于延時等待狀態(tài)的任務，判斷是否有延時結束就緒的任務。在OSTickISR（）的最后調用OSIntExit（），如果在中斷中（或其他嵌套的中斷）有更高優(yōu)先級的任務就緒，并且當前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit（）將進行任務調度。如果當有中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變任務的就緒狀態(tài)，OSIntExit（）將返回調用者OSTickISR（），最后OSTickISR（）返回被中斷的任務。

　　4.OS_CPU08.C文件

　　μC/OS-II的移植需要用戶在OS_CPU08.C中定義6個函數(shù)：

　　OSTaskStkInit（）

　　OSTaskCreateHook（）

　　OSTaskDelHook（）

　　OSTaskSwHook（）

　　OSTaskStatHook（）

　　OSTimeTickHook（）

OSTaskStkInit（）函數(shù)由任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）調用，用來初始化任務的堆棧。初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結構，按照中斷后的進棧次序預留各個寄存器存儲空間；而中斷返回地址指向任務代碼的起始地址。當調用OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）創(chuàng)建一個新任務時，需要傳遞的參數(shù)是：任務代碼的起始地址、參數(shù)指針（pdata）、任務堆棧頂端的地址、任務的優(yōu)先級。堆棧初始化工作結束后，OSTaskStkInit（）返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate（）OSTaskCreateExt（）將指針保存在任務的OS_TCB中。

　　Void*OSTaskStklint（void（*task）（void*pd），void*pdata,void*ptos,INT16U opt）

　　{

　　INT16U *stk;

　　stk=（INT16U*）ptos; /*保存堆棧指針*/

　　*--stk=（INT16U）（task）； /保存程序計數(shù)器內容*/

　　*--stk=（INT16U）（0x00）； /初始化X和A寄存器內容*/

　　--stk=（INT16U）（0x00）； /*初始化CCR和H寄存器*/

　　return（（void*）stk）；

　　}

其余的幾個函數(shù)：OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook和OSTimeTickHook（）均由用戶自定義。

四、制作用戶自己的項目

在為內核編寫了上述與硬件相關的代碼以后，用戶就可以為自己的項目編寫實際的代碼了。在本例中，用戶任務共有兩個。任務1在初始化時鐘中斷以后，就進入了一人死循環(huán)。在這個循環(huán)里，任務1一方面以1s（秒）為周期改變并行I/O口PORTA第0個引腳的輸出電壓，另一方面每隔4s便向任務2發(fā)送1個信號。而任務2則始終等待任務1發(fā)來的信號，一旦收到信號，便改變并行I/O口PORTA第1個引腳的輸出電壓。具體的代碼如下：

　　/*****************************************

　　* EXE2.C

　　*******************************************/

　　#includehidef.h>

　　#include includes.h

　　Byte PORTA @0x0000; /*并口A地址$0000*/

　　Byte DDRA @0x0004; /*并口A方向寄存器地址$0004*/

　　Byte T1SC @0x0020; /*定時器控制寄存器地址$0020*/

　　Byte T1MODH@0x0023; /*定時器模式寄存器地址$0023*/

　　OS_EVENT *Semaphore；

　　#define TASK_STK_SIZE 64 /*任務堆棧大小64字節(jié)*/

　　INT8U Task1Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務1堆棧*/

　　INT8U Task2Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務2堆棧*/

　　Void Hardwareinit（void）；

　　Void Task1（void*pdata）

　　{int count=0;

　　/*int count=0;

　　/*初始化定時器*/

　　asm{

　　LDA #0x50

　　STA T1SC

　　LDHX #0x0333 //設定定時器間隔100ms

　　STHX T1MODH

　　CLI

　　}

　　for（；；）{

　　PORTA=0xFE;

　　OSTimeDly（5）； /*延時0.5s*/

　　PORTA|=0x01;

　　/*延時0.5s*/

　　DSTimeDly（5）；

　　Count++;

　　If（count= =4）{

　　OSSemPost（Semaphore）；

　　Count=0;

　　}

　　}}

　　void Task2（void *pdata）

　　{

　　Byte err;

　　For（；；）{

　　OSSemPend（Semaphore,0,err）；

　　PORTA=0xFD:

　　OSSemPend（Semaphore,0,err）；

　　PORTA|=0x02;

　　}

　　}

　　void main（void）{

　　Hardwarelnit（）； /*完成硬件的初始化工作*/

　　Oslint（）； /*初始化多任務環(huán)境*/

　　Semaphore=OSSemCreate（0）；

　　OSTaskCreate（Task1,（void*）0,（void*）Task1Stk

　　[TASK_STK_SIZE],10）；

　　OSTaskCreate（Task2,void*）0,（void*）Task2Stk

　　[TASK_STK_SIZE],9）；

　　OSStart（）；

　　}

在主程序main（）中，用戶必須先調用OSInit（），然后創(chuàng)建各個任務和信號量等，最后調用OSStart（），以啟動內核運行，開始正常的任務調度。

本例中盡量減小了對RAM的需求：假如中斷嵌套層數(shù)不超過三層，所需事件只有一個，即只需要一個事件控制塊；應用中對μC/OS-II提供的功能進行最大限度的裁剪，能不用的盡量不用。采用了上述措施后，μC/OS-II的RAM使用情況大致如下：μC/OC-II所使用的全局變量占用22字節(jié)，事件控制塊占用12字節(jié)。此外，當系統(tǒng)初始化時，還需要最小30字節(jié)的系統(tǒng)堆棧用于初始化TCB，并傳遞參數(shù)。以上為μC/OS-II中系統(tǒng)所必需的RAM，計64字節(jié)。

綜上所述，GP32的512字節(jié)RAM可分為8個64字節(jié)的RAM塊。如果運行4個任務，能留給應用程序的RAM也只剩下128字節(jié)了。如果在GP32上運行μC/OS-II，且不多于8個任務，則任務調度表可以再簡化，不需要調度64個任務，只調度8個任務就可以了。