μC／OS-Ⅱ在ARM單片機(jī)S3C44B0x上的移植

引 言

目前，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、家用電器、移動(dòng)通信、PDA等各種領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于用戶對(duì)嵌入式產(chǎn)品的性能要求越來越高，程序設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜，這就需要一個(gè)通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來對(duì)其進(jìn)行管理和控制。對(duì)移植了操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以大大減小程序員的負(fù)擔(dān)，對(duì)于不同的應(yīng)用可以按照相同的步驟來完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

μC／OS-Ⅱ是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性，被廣泛的應(yīng)用到各種嵌人式處理器上。μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)擁有可固化，可裁剪，可剝奪性的實(shí)時(shí)內(nèi)核，可同時(shí)管理64個(gè)系統(tǒng)任務(wù)。利用移植μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)的嵌入式微處理器來設(shè)計(jì)和開發(fā)產(chǎn)品，對(duì)于提高產(chǎn)品的性能，減少產(chǎn)品的開發(fā)周期和降低開發(fā)成本有著重要的意義。在此較詳細(xì)地分析和介紹了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ在ARM系列單片機(jī)S3C44B0x上的移植過程。

1 μCOS-Ⅱ概述

μCOS-Ⅱ是一種源代碼公開、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪性實(shí)時(shí)內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μCOS-Ⅱ是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用，至今，從8位到64位，μCOS-Ⅱ已在超過40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。μCOS-Ⅱ是專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)問的通信和同步等基本功能。μCOS-Ⅱ擁有一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它具有執(zhí)行效率高，占用空間小，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛地移植應(yīng)用到各種嵌入式微處理器中。

2 S3C44B0處理器概述

S3C44B0x微處理器采用高性能、低功耗的32位RISC內(nèi)核ARM7TDMI。 同時(shí)，S3C44B0x在ARM7TDMI核的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一系列的外圍器件，使系統(tǒng)成本及外圍器件數(shù)目降低至最低，這些功能部件分為CPU單元，系統(tǒng)時(shí)鐘管理單元，存儲(chǔ)單元和系統(tǒng)功能接口單元，片上集成的主要功能如下：

在ARM7TDMI基礎(chǔ)上增加了8 KB的CACHE；外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器；LCD控制器，并帶有1個(gè)LCD專用DMA通道；2個(gè)通用DMA通道，2個(gè)帶外部請(qǐng)求引腳的DMA；2個(gè)帶有握手協(xié)議的UART，1個(gè)SIO；1個(gè)I2C總線控制器；5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；1個(gè)看門狗定時(shí)器；71個(gè)通用可編程I／O口，8個(gè)外部中斷源；功耗控制模式：正常、低、休眠和停止；8路10位ADC；具有日歷功能的RTC；PLL時(shí)鐘發(fā)生器等。

3 嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ的移植

3．1 移植μCOS-Ⅱ的條件

所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他的微處理器或微控制器上運(yùn)行。為方便移植，大部分μCOS-Ⅱ的代碼都是用C語言編寫的，但是仍需要用C語言和匯編語言編寫與處理器硬件相關(guān)的代碼，這是因?yàn)棣藽OS-Ⅱ在讀／寫處理器的寄存器時(shí)，只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)，要使μCOS-Ⅱ正常運(yùn)行，處理器必須滿足以下要求：

(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重人型代碼；

(2)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常為10～100 Hz)；

(3)用C語言就可以開／關(guān)中斷；

(4)處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧；

(5)處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內(nèi)容讀出、并存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中去的指令。

ARM系列單片機(jī)S3C44B0x滿足以上的條件。所以可以將μCOS-Ⅱ移植應(yīng)用到S3C44B0x。
3．2 搭建移植環(huán)境

本次移植在如下的環(huán)境中完成：

(1)編譯工具采用ARM公司的ADS 1．2。ADS全稱為ARM Developer Suite，是ARM公司推出的新一代ARM集成開發(fā)工具。現(xiàn)在ADS的最新版本是1．2，它取代了早期的ADS 1．0和ADS 1．1。ADS 1．2由命令行開發(fā)工具，ARM實(shí)時(shí)庫，GUI開發(fā)環(huán)境，實(shí)用程序和支持軟件組成。有了這些部件，用戶就可以非常方便地為ARM系列的處理器編寫和調(diào)試自己的應(yīng)用程序了。

(2)目標(biāo)板采用杭州立宇泰公司生產(chǎn)的S3C44B0x開發(fā)板，主機(jī)通過JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

3．3 μCOS-Ⅱ的移植

μCOS-Ⅱ的硬件／軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)μCOS-Ⅱ的移植其實(shí)就是對(duì)與處理器有關(guān)的代碼進(jìn)行重新編寫或修改。

由圖1可知，移植μCOS-Ⅱ?qū)嶋H上就是分別對(duì)OSCPU．H，OS_CPU_A．ASM和OS_CPU_C.C這三個(gè)文件進(jìn)行重新編寫或修改。由于在本次移植中是將μCOS-Ⅱ移植到ARM系列單片機(jī)S3CA4B0x中，接下來將結(jié)合S3CA4B0x微處理器的特性來具體介紹本次移植過程中所做的主要工作。

(1)移植OS_CPU．H文件

OS CPU．H文件中包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量和類型的定義，與μCOS-Ⅱ所定義的變量類型相一致；定義開／關(guān)中斷的宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來保護(hù)臨界段代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程的干擾；定義棧的增長(zhǎng)方向，在本次移植中棧的增長(zhǎng)方向被定義為從上往下增長(zhǎng)，OS_STK_GROWTH的值定義為1。在移植該文件時(shí)，需要編寫和修改的部分代碼如下所示：

①設(shè)置與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型

③設(shè)置堆棧的增長(zhǎng)方向

絕大多數(shù)的微處理器和控制器的堆棧是從上往下增長(zhǎng)的，但是也有一些處理器和控制器的堆棧增長(zhǎng)方向是從下往上增長(zhǎng)的μCOS-Ⅱ被設(shè)計(jì)成這兩種情況都可以處理，只要在結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH中指定堆棧的增長(zhǎng)方式即可。在本次移植中堆棧的增長(zhǎng)方向被設(shè)置成從上往下增長(zhǎng)。

(2)移植OS_CPU_C．C文件

在該文件中需要編寫10個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)它們分別是：

在這些函數(shù)中惟一必須需要編寫的函數(shù)是OSTa-skStkInit()，其他9個(gè)函數(shù)必須要聲明，但不一定要包含任何代碼。OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通過調(diào)用OSTaskStkInit()函數(shù)來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，因此，堆棧看起來就像剛發(fā)生過中斷，并將所有的寄存器都保存到堆棧中的情形一樣。OSTaskStkInit()的程序代碼如下：

(3)移植OS_CPU_A．ASM文件

在移植OS_CPU_A．ASM文件時(shí)，要求用戶編寫4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語言函數(shù)，它們分別是：OS-StartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OS-TickISR()。

①OSStartHighRdy()：運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)。此函數(shù)僅在多任務(wù)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次，用來啟動(dòng)第1個(gè)(也就是最高優(yōu)先級(jí))任務(wù)運(yùn)行。它的程序代碼如下：

②OSCtxSw()：任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)。實(shí)現(xiàn)CPU在正常運(yùn)行時(shí)任務(wù)間的切換，完成對(duì)當(dāng)前任務(wù)堆棧的保存和對(duì)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堆棧的彈出，使最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)得到運(yùn)行。

③OSIntCtxSw()：中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)。在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，如果中斷使得更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，則該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的切換：保存中斷發(fā)生之前的那個(gè)任務(wù)的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)．恢復(fù)已處于就緒態(tài)的那個(gè)更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，使優(yōu)先級(jí)更高的那個(gè)任務(wù)得以運(yùn)行，從而完成對(duì)任務(wù)的切換。

④OSTickISR()：是系統(tǒng)時(shí)鐘的中斷服務(wù)函數(shù)。該函數(shù)的主要功能是檢查是否有由于延時(shí)而被掛起的任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。如果有，則調(diào)用OSIntCtxSw()函數(shù)進(jìn)行任務(wù)切換，使已處于就緒態(tài)的且具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行。

4 測(cè)試移植代碼

為S3C44B0x移植好μC／OS-Ⅱ后，緊接著的工作就是驗(yàn)證移植好的μC／OS-II是否能正常工作。在這里采用不加任何應(yīng)用程序代碼的方法測(cè)試移植好的μC／OS-Ⅱ，這樣做有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：使測(cè)試移植代碼的工作變得更簡(jiǎn)單；如果有部分,μC／OS-II代碼不能正常工作，可以明白是被移植代碼本身的問題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題。通過四個(gè)步驟來完成對(duì)移植代碼的測(cè)試：確保C編譯器、匯編編譯器及鏈接器正常工作；驗(yàn)證OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函數(shù)；驗(yàn)證OSCtxSw()函數(shù)；驗(yàn)證OSIntCtxSw()和OSTick-ISR()函數(shù)。經(jīng)測(cè)試，以上四個(gè)測(cè)試過程均能正常通過，表明被移植到ARM系列單片機(jī)S3C44B0x中的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)已經(jīng)能正常工作了。

5 結(jié)束語

μC／OS-II是一種可配置、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，現(xiàn)已被廣泛的移植應(yīng)用到多種處理器當(dāng)中。這里成功地將μC／OS-Ⅱ移植到了ARM系列單片機(jī)S3C44B0x中，經(jīng)測(cè)試，移植好的μC／OS-Ⅱ代碼能正常的在S3C44B0x處理器中穩(wěn)定運(yùn)行。