實時嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在MPC555上的移植

摘要：介紹了實時操作系統(tǒng)μC／OS-II的特點和內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并首次實現(xiàn)了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應(yīng)用方法。關(guān)鍵詞：μC/OS-II MPC555 嵌入式操作系統(tǒng) 移植 μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務(wù)、移植性非常強(qiáng)的免費(fèi)微控制器嵌入式實時操作系統(tǒng)，從１９９２年出現(xiàn)以來，已在照相機(jī)、發(fā)動機(jī)控制和工業(yè)機(jī)器人等多種領(lǐng)域中得到應(yīng)用。它一方面相對ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出來的ＥＯＳ更小巧且移植方便，實時性更好，更適合工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用；另一方面由于是免費(fèi)的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業(yè)實時ＥＯＳ大大節(jié)省成本，非常適用于開發(fā)實用簡約的嵌入式控制程序。 摩托羅拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ體系結(jié)構(gòu)上，采用ＲＩＳＣ技術(shù)的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內(nèi)嵌增加了浮點單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態(tài)ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內(nèi)Ｆｌａｓｈ、一個ＱＳＭＣＭ（串行通訊模塊）、兩個ＴｏｕＣＡＮ模塊、兩個ＴＰＵ、一個ＭＩＯＳ（模塊化Ｉ／Ｏ系統(tǒng)）、兩個ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達(dá)４０ＭＨｚ。另外芯片體積小，僅為２．５ｃｍ%26;#215;２．５ｃｍ%26;#215;０．５ｃｍ。所有這些特性使其特別適用于汽車等現(xiàn)場控制領(lǐng)域的嵌入式微控制系統(tǒng)。 將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車用控制器上的應(yīng)用，其成果也可以用于其他嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５編譯調(diào)試環(huán)境。１ 移植原理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)之間通信管理和內(nèi)存管理五方面功能。其結(jié)構(gòu)共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關(guān)的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個文件。該層完成系統(tǒng)時鐘的設(shè)置、出入中斷的管理和任務(wù)切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時間管理、任務(wù)調(diào)度管理、任務(wù)間的通信管理和內(nèi)存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無關(guān)，它為用戶應(yīng)用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應(yīng)用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務(wù)兩個處理級別，用戶可以建立自己的任務(wù)，編寫必要的中斷子程，在任務(wù)之間或任務(wù)與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點，在移植過程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改動，使其完成系統(tǒng)時鐘設(shè)置、中斷管理和任務(wù)切換功能即可。 在前后臺系統(tǒng)中，提供一個ＣＰＵ堆棧。發(fā)生中斷時，將當(dāng)前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現(xiàn)場，執(zhí)行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復(fù)現(xiàn)場。 在多任務(wù)系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創(chuàng)建時，為每個任務(wù)建立并初始化一個堆棧。當(dāng)發(fā)生中斷或任務(wù)切換時，把當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行現(xiàn)場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務(wù)的堆棧中。當(dāng)某個任務(wù)需要從就緒狀態(tài)激活到運(yùn)行狀態(tài)時，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務(wù)的堆棧中彈出。這樣，每個任務(wù)分時占用ＣＰＵ。而對各任務(wù)來說，每次進(jìn)入運(yùn)行態(tài)時，ＣＰＵ狀態(tài)都與上次從運(yùn)行態(tài)退出時完全一樣。所以不再是使用一個ＣＰＵ堆棧，而是多個任務(wù)將各自的運(yùn)行現(xiàn)場保存到自己的堆棧中。圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖另外，調(diào)用Ｃ函數(shù)時也會使用到堆棧，此時編譯器會創(chuàng)建一個堆棧；在Ｃ函數(shù)返回時，將其釋放。其大小因Ｃ函數(shù)使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時，能夠正確創(chuàng)建、初始化、保存并恢復(fù)各個任務(wù)的堆棧，是確保ＯＳ任務(wù)切換和中斷管理順利完成的關(guān)鍵。 ＭＰＣ５５５有３２個３２ｂｉｔ通用定點數(shù)寄存器，３２個６４ｂｉｔ浮點數(shù)寄存器，另有９個控制／狀態(tài)寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計如表１的堆棧結(jié)構(gòu)。每次任務(wù)環(huán)境入棧時創(chuàng)建一含７３個位置的堆棧，為了保證浮點數(shù)寄存器的完整，每個位置為６４ｂｉｔ寬。創(chuàng)建任務(wù)時，建立該堆棧結(jié)構(gòu)，并用默認(rèn)值對其進(jìn)行初始化。在任務(wù)保存或激活時把寄存器的值保存到堆棧中相應(yīng)位置，或者從堆棧的相應(yīng)位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時，要注意控制好ＳＰ。表1 堆棧結(jié)構(gòu)表 SP OffsetRegister SavedNUMDefault Value584～336328320～80726456484032241680FP31～FP0FPSCRGPR31～GPR0DARCTXLRXERCRSRR1SRR0MSRSP（GPR1）73～424140～1098765432100.00x000020FC00000x00x000x00task*0x100000000[1]0x000x000x0000B00200000000task*0x100000000[1]0x0000B002000000000注：堆棧所屬任務(wù)代碼入口地址 ２ 中斷管理 首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中斷結(jié)構(gòu)。在ＭＰＣ中有新的概念——異常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出現(xiàn)，包括中斷、總線錯誤、指令錯誤、系統(tǒng)調(diào)用異常、實時中斷異常和復(fù)位等。ＭＰＣ為異常提供了異常向量表。該表為每個異常提供一個２５６字節(jié)的異常處理代碼空間。 所有外部中斷和Ｉ／Ｏ子模塊產(chǎn)生的中斷共同作為異常的一種，占用異常向量表中的一個位置。在該異常處理程序中，軟件需根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器的值判斷到底發(fā)生了哪個中斷并進(jìn)行相應(yīng)處理。 在每次發(fā)生異常時，ＭＰＣ自動將主狀態(tài)寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中，將程序指針ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；然后ＰＣ指針指向該異常在異常向量表中的起始位置，進(jìn)入異常處理程序。每次異常返回時，調(diào)用ｒｆｉ指令，系統(tǒng)自動將ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，將ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序從ＳＲＲ０指向的位置繼續(xù)執(zhí)行。在發(fā)生異常和異常返回之間，不自動允許新的異常和中斷。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允許異常，在適當(dāng)?shù)臅r候允許中斷。μＣ／ＯＳ－ＩＩ的異常處理過程中，用戶及ＯＳ與硬件無關(guān)的代碼完成圖２中①、②、③、④、⑤這五個步驟。依次完成以下任務(wù)：①給ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１或調(diào)用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系統(tǒng)已進(jìn)入中斷；②分析中斷源調(diào)用相應(yīng)中斷處理子程；③在該中斷處理子程中完成清中斷源；④進(jìn)行其他中斷處理；⑤調(diào)用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判斷是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)被激活而需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，若不需要，則直接從中斷返回；若需要，則調(diào)用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中斷級任務(wù)調(diào)度。 移植中，為了在ＭＰＣ５５５上實現(xiàn)上述中斷處理過程，需編寫與硬件相關(guān)代碼，為以上思路提供三個接口函數(shù)：進(jìn)入中斷、退出中斷和中斷級任務(wù)調(diào)度。根據(jù)ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計的完整中斷程序流程如圖２。虛框Ⅰ部分寫在異常向量表中每個異常的處理代碼空間中，依次調(diào)用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三個函數(shù)。 其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函數(shù)為①到⑤步中斷處理子程提供調(diào)用接口。 虛框Ⅱ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它將發(fā)生中斷時所有寄存器保存到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，并處理ＣＰＵ狀態(tài)。是ＯＳ進(jìn)入中斷的接口函數(shù)。 虛框Ⅲ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它從當(dāng)前任務(wù)（可能是中斷發(fā)生時的任務(wù)，也可能是新的被激活的任務(wù)）堆棧中恢復(fù)所有ＣＰＵ寄存器，并從中斷返回，是ＯＳ退出中斷的接口函數(shù)。 虛框Ⅳ中為與硬件和編譯器相關(guān)的函數(shù)ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當(dāng)前任務(wù)，完成中斷級任務(wù)調(diào)度，隨后調(diào)用Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）退出中斷，進(jìn)入新的被激活的任務(wù)。應(yīng)注意，在中斷級任務(wù)調(diào)度過程中，①、⑤兩處Ｃ函數(shù)被調(diào)用后不需要返回，所以需要將堆棧指針ＳＰ向下做適當(dāng)調(diào)整，以丟棄這兩個函數(shù)調(diào)用時編譯器產(chǎn)生的堆棧。Ｃ函數(shù)調(diào)用時，產(chǎn)生堆棧的大小與編譯器相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)編譯器產(chǎn)生的代碼決定此處丟棄堆棧的大小。為保證異常時需要丟棄的堆棧大小不變，可使用圖２中的方法，在異常處理時另外調(diào)用函數(shù)完成步驟③、④，以確保不同異常處理過程中，①、⑤兩處Ｃ函數(shù)被調(diào)用時，編譯器建立的堆棧大小一致。 ３ 任務(wù)切換 μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任務(wù)調(diào)度由函數(shù)ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６系統(tǒng)上，ＯＳＳｃｈｅｄ?穴?雪在獲得當(dāng)前新的最高優(yōu)先級的任務(wù)指針后，調(diào)用ＣＰＵ軟中斷完成任務(wù)切換。在ＭＰＣ５５５上，可以用系統(tǒng)調(diào)用異常處理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替軟中斷。該異常處理程序如圖３所示，完成以下三個步驟：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中將當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行環(huán)境保存到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中；②調(diào)用任務(wù)級調(diào)度函數(shù)ＯＳＣｔｘＳｗ（），將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當(dāng)前任務(wù)；③從新任務(wù)堆棧中彈出所有寄存器的值，恢復(fù)中斷，完成任務(wù)切換。其中①、③兩部分代碼與中斷管理程序相同，不需要重新編寫，只需編寫函數(shù)ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任務(wù)指針的切換工作。 任務(wù)切換過程不可以被打斷，所以，上述過程中始終不能打開中斷。 ４ 時鐘管理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系統(tǒng)初始化后，開始一個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，它是ＯＳ系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。該時鐘節(jié)拍一般由時間中斷產(chǎn)生。ＭＰＣ５５５中可產(chǎn)生時間節(jié)拍的模塊有很多，本次移植選用ＤＥＣ異常。因為它與外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高ＯＳ的穩(wěn)定性。 ＤＥＣ時鐘同步于ＴＭＢＣＬＫ，其頻率可選，本次移植設(shè)置為２．５ＭＨｚ。代碼在時鐘初始化和每次進(jìn)入ＤＥＣ異常時，將ＤＥＣ計數(shù)器設(shè)置為２．５Ｍ／ＯＳ＿ ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，這樣，可使ＯＳ每秒種產(chǎn)生ＯＳ＿ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ個時鐘節(jié)拍。 ５ 應(yīng)用方法 在使用移植后的ＯＳ時，用戶需要編寫自己的主程序ｍａｉｎ（），其流程如圖４。在適當(dāng)?shù)某跏蓟蠹纯蓡樱希印? 另外，用戶需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務(wù)中啟動時鐘節(jié)拍，調(diào)用ＯＳＳｔａｔＩｎｉｔ（）函數(shù)初始化統(tǒng)計任務(wù)，創(chuàng)建所需的其他任務(wù)，最后調(diào)用ＯＳＴａｓｋＤｅｌ（）函數(shù)刪除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務(wù)自己。ＯＳ在該函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，會自動允許異常和中斷，ＯＳ正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷調(diào)度任務(wù)，響應(yīng)中斷。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）