嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ剖析與移植

現(xiàn)在，大家不僅擁有放在桌上處理文檔、進行工作管理的通用計算機，而且也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品的智能化，智能手機、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的出現(xiàn)，使用在通用計算機中操作系統(tǒng)通過變身慢慢出現(xiàn)在嵌入式產(chǎn)品中。操作系統(tǒng)與硬件緊密相關(guān)，如何將操作系統(tǒng)簡便的移植到各式各樣的嵌入式產(chǎn)品中是產(chǎn)品廠家急需解決的問題。了解操作系統(tǒng)的基本概念、基本原理，掌握操作系統(tǒng)的主要任務(wù)及功能的設(shè)計思路是設(shè)計人員需要具備的知識。想要移植操作系統(tǒng)到電子產(chǎn)品中，需了解實時操作系統(tǒng)的概念、內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如何裁剪操作系統(tǒng)代碼。本文通過對嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ源代碼的分析及移植，掌握多任務(wù)實時系統(tǒng)的基本概念、競爭與調(diào)度算法、任務(wù)間同步與通信、存儲與定時的管理。

1 嵌入式操作系統(tǒng)分類

運行在嵌入式硬件平臺上，對整個系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件叫作嵌入式操作系統(tǒng)。其有如下特點：微型化、可裁剪性、實時性、高可靠性和易移植性。按嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍分類可分為：

(1) 通用型嵌入式操作系統(tǒng)，Windows CE，Vx-Works，μCLinux和μC/OS;

(2)專用型嵌入式操作系統(tǒng)，如移動電話的Symbian，PDA的Palm OS。

嵌入式操作系統(tǒng)還可分為商用型和免費型：

(1)商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價格昂貴，如Vx-works，QNX，WinCE，Palm OS等;

(2)免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Linux和μC/OS-Ⅱ，穩(wěn)定性與服務(wù)性存在挑戰(zhàn)。按嵌入式操作系統(tǒng)使用領(lǐng)域分類可分為：有線電視機頂盒領(lǐng)域，PowerTV;移動通信領(lǐng)域，EPOC;掌上計算機領(lǐng)域，Palm OS;數(shù)字影像領(lǐng)域，Digita。

2 μC/OS-Ⅱ代碼剖析

微控制器操作系統(tǒng)(Micro Controller OS，μC/OS)是美國人Jean J.Labrosse 1992年完成的，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等。μC/OS-Ⅱ用C語言和匯編語言編寫的。其源代碼可以從網(wǎng)站www.micrium.com中免費下載。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要工作是對任務(wù)進程管理和調(diào)度。典型的任務(wù)一個無限循環(huán)，如圖1所示。

圖1 任務(wù)的組成

下面對創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate()的源代碼做簡單的介紹。

μC/OS-II支持64個任務(wù)，每個任務(wù)一個特定的優(yōu)先級。優(yōu)先級越高，數(shù)字越小。當(dāng)創(chuàng)新一個新任務(wù)時，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)OSTaskCreate()需先獲得一個未被使用的在有效值范圍內(nèi)任務(wù)優(yōu)先級，初始化任務(wù)堆棧函數(shù)OSTaskStkInit()獲得該任務(wù)的初始數(shù)據(jù)(指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字等)，初始化任務(wù)控制塊函數(shù)OSTCBInit()獲取從務(wù)控制塊鏈表中一個任務(wù)控制塊并用任務(wù)的屬性對其進行賦值后將其鏈入到任務(wù)控制塊鏈表的頭部，OSSched()函數(shù)進行任務(wù)調(diào)度。多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心工作就是任務(wù)調(diào)度。所謂調(diào)度就是通過一個算法在多個任務(wù)中確定哪個任務(wù)來運行。 μC/OS-Ⅱ是占先式實時多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級最高的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，則擁有CPU的所有權(quán)開始投入運行。μC/OS-Ⅱ進行任務(wù)調(diào)度的思想是每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)。μC/OS-Ⅱ進行任務(wù)調(diào)度的依據(jù)就是任務(wù)就緒表。任務(wù)就緒表記載就緒的任務(wù)優(yōu)先級，根據(jù)任務(wù)就緒表可以判斷出哪個任務(wù)的優(yōu)先級最高，進行調(diào)度。

3 μC/OS-Ⅱ移植

所謂操作系統(tǒng)的移植，是指使一個實時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上運行。μC/OS-Ⅱ的主要代碼都是由標(biāo)準(zhǔn)的C語言寫成的，移植方便。移植的主要工作是修改部分與處理器硬件相關(guān)的代碼。雖然μC/OS-Ⅱ在設(shè)計之初已經(jīng)充分考慮了可移植性，但是μC/OS-Ⅱ在讀/寫處理器寄存器時，只能通過匯編語言來實現(xiàn)，因此仍需要用C語言和匯編語言編寫一些與處理器硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，在該圖中可以很容易看出哪些代碼文件與處理器相關(guān)需要移植時修改。圖中中間有3大塊代碼文件顯示區(qū)域，左上區(qū)域為與處理器無關(guān)的代碼，右上區(qū)域為與應(yīng)用有關(guān)的代碼，下面區(qū)域是與處理器相關(guān)的代碼。下面區(qū)域包括C語言O(shè)S_CPU.H和OS_CPU_C.C和匯編語言O(shè)S_CPU_A.ASM代碼文件，在移植時重點去修改這幾個文件。

3.1 修改OS_CPU.H

OS_CPU.H中的與處理器和編譯器相關(guān)的代碼包括了用#define語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型、與ARM 處理器相關(guān)宏開啟/關(guān)閉中斷的代碼。絕大多數(shù)的微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長的。但是某些處理器是用另外一種方式工作的。μC/OS-Ⅱ被設(shè)計成兩種情況都可以處理，只要在結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH中指定堆棧的生長方式即可。如設(shè)置OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從下往上增長;設(shè)置OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從上往下增長。

3.2 修改OS_CPU_C.C

OS_CPU_C.C中的與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù) OSTaskStkInit()，OSInitHookBegin()，OSInitHookEnd()，OSTaskCreateHook()，OSTaskDelHood()，OSTaskSwHook()，OSTaskStatHook()，OSTCBInitHook()，OSTimeTickHook()，OSTaskIdleHook()。如系統(tǒng)啟動任務(wù)時，CPU從堆棧初始化OSTaskStkInit()中獲得初始數(shù)據(jù)，如指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字。不同處理器內(nèi)部的寄存器個數(shù)及每個位數(shù)不同需要根據(jù)實際情況修改。

圖2 μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)

3.3 修改OS_CPU_A.ASM

OS_CPU_A.ASM 中的與處理器相關(guān)函數(shù)OSS-tartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。下面以運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSS-tartHighRdy()為例分別移植到ARM和8086中代碼改變情況。