使用 ADS 移植 uC/OS-II 的實例分析
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使用 ADS 移植 uC/OS-II 的實例分析
Port uC/OS-II using ADS
李明 lmcs00@mails.tsinghua.edu.cn
（ 清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京， 100084 ）
摘 要： 本文介紹了使用 ARM 公司提供的 ADS 開發(fā)工具，進行移植 uC/OS-II 的工作。結合基于 StrongARM 評估板的硬件結構，對移植工作中的若干要點做了詳細分析。最后，給出了移植體會和程序技巧分析。
關鍵詞： ADS uC/OS-II StrongARM 移植
一、選擇開發(fā)工具
在嵌入式系統(tǒng)設計中，開發(fā)工具的選取是一個重要的考慮因素，通常這是與開發(fā)項目的需求和應用背景相關。一般嵌入式開發(fā)工具包含用于目標系統(tǒng)的交叉編譯器、連接器、調試器以及輔助處理用的二進制文件分析工具等。
目前可以用來編譯鏈接產生 ARM 處理器執(zhí)行代碼的開發(fā)工具主要有如下幾類：
1. ARM 公司提供的 ARM Developer Suite 集成開發(fā)環(huán)境
主要工具有 armasm、armcc、armlink、fromelf 等。
2.GNU 組織提供的 tool chain for arm
主要工具有 arm-elf-gcc、arm-elf-gdb、arm-elf-objcopy 等
3. Microsoft公司提供的 eMbedded Visual Tools
主要工具有 clarm、clthumb、c2_arm、link、lib等
這里我們選用 ARM 公司提供的 ADS 下的工具集來編譯我們的程序和鏈接目標代碼并最終生成可執(zhí)行的二進制映像。這里介紹一下主要會用到的一些工具：
armasm.exe ： 匯編文件編譯器
armcc.exe ： C 文件編譯器
armlink.exe ： 目標文件連接器
fromelf.exe ： 用于將 axf 或者 elf 格式轉換成其他格式的文件，例如二進制映像。
armprof.exe ： 對調試過程中生成的 profiling 記錄文件做分析用的工具軟件
二、存儲空間分配
1. 存儲器組織
StrongARM 存儲器組織主要分4個部分：
1) 0h0000 0000 ~ 0h3FFF FFFF
用于靜態(tài)存儲器 ROM、SRAM、FLASH
2) 0h4000 0000 ~ 0h8FFF FFFF
用于靜態(tài)存儲器和各種 I/O 器件
3)0h8000 0000 ~ 0hBFFF FFFF
包括所有片內寄存器，主要用于外圍控制、系統(tǒng)控制、存儲擴展、LCD和DMA。
4)0hB000 0000 ~ 0hFFFF FFFF
用于動態(tài)存儲器，DRAM、SDRAM等
2. 堆?？臻g分配
0xc2000000 -------- 系統(tǒng)堆棧從 0xc2000000 開始向下增長
其中 0xc2000000 為 svc 態(tài)的堆棧棧底
0xc1000000 為 irq 態(tài)的堆棧棧底
|SDRAM (32M)
0xc0000000 -------- rw-base 這里是程序的 rw 段，包括 uC/OS-II 的任務堆?？?/P>
:
0x02000000 --------
FLASH ROM (32M)
從 0x00000000 開始依次放置跳轉指令，即異常向量表
0x00000000 -------- ro-base 這里是程序的 text 段和 ro 段
三、啟動代碼
由于板子的 0x0 地址處是 32M 的Flash ROM，因此在板子加電后，會從 Flash 中順序執(zhí)行啟動代碼。為了能使得 uC/OS-II 運行，啟動代碼需要完成如下工作：
1. 設置 異常向量表，即在 0x0 – 0x1c 位置放置7條跳轉指令（其中 0x14 為空）
2. 分別實現(xiàn)每種異常的處理程序，其中包括 Reset_Handler、Undefined_Handler、SWI_Handler、Prefetch_Handler、Abort_Handler、IRQ_Handler、FIQ_Handler。
3. 程序從 Reset_Handler 進入后，需要首先進行相關硬件的初始化操作，例如 初始化SDRAM、CPU speed、Interrupt Controller、UART、timer 等。
4.建立每種異常狀態(tài)下的系統(tǒng)堆棧，為了簡單起見可以只在 svc 態(tài) 和 irq 態(tài)下的建立堆棧：setup_svc_stack ，setup_irq_stack。
5. 強制 ARM 處理器狀態(tài)轉換為 svc 管理態(tài)。
6.跳轉到uC/OS-II 代碼的 main 入口，實際上是編譯鏈接后產生的 __main 入口
四、時鐘與中斷處理
1.時鐘控制邏輯
OS Timer Interrupt Enable Register
Operating System Match Register 0－3
Operating System Counter Register
Operating System Status Register
在上圖中，有4種和系統(tǒng)時鐘相關寄存器，它們的含義如下：
OSCR: 一個自動遞增計數的 32 位計數器。
OSMR3-0: 4 個 32 位的匹配寄存器，當 OSCR 的值匹配時產生中斷。
OSSR: 狀態(tài)寄存器，當 OSCR 和 OSMR 匹配時，會對 OSSR 做標志。
OIER: 使能寄存器，表示當匹配發(fā)生時，允許在 OSSR 設置一個標識位。
OSCR 在自動累加的過程中，與OSMR里面設定的那些匹配寄存器進行匹配，發(fā)現(xiàn)有匹配的事件時，就會對 OSSR 中的相應位置設一個標志位“1”，表示OSCR與對應的OSMR 發(fā)生了匹配。當然這個匹配發(fā)生的前提是發(fā)生匹配的那個OSMR在OIER中的相應位被使能，否則OSMR中的設置將不起作用。
2. 系統(tǒng)時鐘初始化流程
uC/OS-II 中創(chuàng)建的第一個任務將負責啟動時鐘節(jié)拍，時鐘的初始化設置流程如下：
1） 設置 OSMR0 = x ，表示 初始化 OSMR0，即當計數器為x時發(fā)生匹配
2） 設置 OSSR = 0xf ，表示 清除所有已經發(fā)生的匹配，寫“1”清除
3） 設置 OIER = OIER_EO ，表示 使能 OSMR0 來產生匹配
4） 設置 OSCR = 0 ，表示 初始化計數器的開始值 為 0
3. 系統(tǒng)時鐘中斷復位
1） 清除 OSSR 中的相應位，即向發(fā)生匹配的OSMR的那個對應位寫“1”
2） 設置 OSCR = 0 ，表示 繼續(xù)初始化計數器的值為 0
4.中斷控制器相關的寄存器
ICPR: 中斷標示寄存器，表示了當前系統(tǒng)正處于激活狀態(tài)的中斷源。
ICMR: 中斷屏蔽寄存器，用來屏蔽相應位的中斷。
ICLR: 中斷級別設置寄存器，設定報告中斷的級別是 IRQ 或者是 FIQ 。
ICIP: IRQ 級別的中斷源寄存器，用來標識 IRQ 中斷發(fā)生的源設備。
ICFP: FIQ 級別的中斷源寄存器，用來標識 FIQ 中斷發(fā)生的源設備。
5. 中斷控制器初始化流程
1） 設置 ICMR 屏蔽位為不屏蔽時鐘中斷 OSMR0 （相應位寫“1”）
2） 設置 ICLR 為都報告為 IRQ 級別（所有位寫“0”）
五、移植工作總結
1. 難點分析
移植 uC/OS-II 到 StrongARM 的芯片上，基本上和移植到 ARM7 的芯片例如S3C4510，AT91x等工作類似，因為所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎體系結構，這使得移植工作變得相對簡單，其中絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.S 文件的移植，這個文件的實現(xiàn)集中體現(xiàn)了所要移植到處理器的體系結構和uC/OS-II 的移植原理；在這個文件里，最困難的工作主要是在 OSIntCtxSw 和 OSTickISR 這兩個函數的實現(xiàn)上。因為它們的實現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關硬件定時器、中斷寄存器的設置有關。在實際的移植工作中，這兩個地方也是比較容易出錯的地方。
OSIntCtxSw 最重要的作用就是它完成了在中斷ISR中直接進行任務切換，從而提高了實時響應的速度。它發(fā)生的時機是在 ISR 執(zhí)行到 OSIntExit 時，如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級的任務因為等待的 time tick 到來獲得了執(zhí)行的條件，這樣就可以馬上被調度執(zhí)行，而不用返回被中斷的那個任務之后再進行任務切換，因為那樣的話就不夠實時了。
實現(xiàn) OSIntCtxSw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過調整 sp 堆棧指針的方法，根據所用的編譯器對于函數嵌套的處理，通過精確計算出所需要調整的 sp 位置來使得進入中斷時所作的保存現(xiàn)場的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數嵌套內部發(fā)生任務切換，使得高優(yōu)先級的任務能夠最快的被調度執(zhí)行。但是這個辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數的設置相關，需要較多技巧。
另一種是設置需要切換標志位的方法，在 OSIntCtxSw 里面不發(fā)生切換，而是設置一個需要切換的標志，等函數嵌套從進入 OSIntExit => OS_ENTER_CRITICAL() => OSIntCtxSw() => OS_EXIT_CRITICAL() => OSIntExit退出后，再根據標志位來判斷是否需要進行中斷級的任務切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計算，但是從實時響應上不是最快，不過這種方法實現(xiàn)起來比較簡單。
在中斷態(tài)下進行任務切換，需要特別說明的一個問題是如何獲得被中斷任務的 lr_svc 。因為進入中斷態(tài)后，lr 變成了lr_irq ，原來任務的 lr_svc 無法在中斷態(tài)下獲得，這樣要得到 lr_svc ，就必須在中斷 ISR 里面進行一次 cpu mode 強制轉換，即對 CPSR 賦值為0x000000d3 ，只有返回到 svc 態(tài)之后才能得到 原來任務的 lr ，這個對于任務切換很重要。還有一個需要留意的問題是在強制 CPSR 變成 svc 態(tài)之后，SPSR 也會相應地變成 SPSR_irq ，這樣就需要在強制轉變之前保存 SPSR ，也就是被中斷任務中斷前的 CPSR 。
2. 移植中使用的編程技巧
ADS 編譯器在編譯 C 語言的程序時，如果程序中使用了 main 函數，則編譯器將自動添加如下代碼，完成初始化堆棧和C庫等工作，工作流程如下：
1> 將執(zhí)行文件中的 RO 段和 RW 段從 load address 復制到 execution address
2> 初始化 ZI 區(qū)域，用 0 來初始化變量
3> 跳轉到 __rt_entry 執(zhí)行如下 4 個調用
3.1> 調用 __rt_statckheap_init ，建立程序的堆和棧
3.2> 調用 __rt_lib_init ，初始化程序用到的 C 庫，并為 main 傳遞參數
3.3> 調用 main ，即用戶程序的入口
3.4> 調用 exit
因為系統(tǒng)復位后，在啟動代碼中已經設置了系統(tǒng)堆棧，同時也不需要使用C庫，因此可以從 __rt_entry 處直接跳轉到 uC/OS-II 的代碼中，即直接執(zhí)行 main 函數，可以用新的 __rt_entry 來作為鏈接的目標入口。
IMPORT main
EXPORT __rt_entry
__rt_entry
b main
這樣在啟動代碼的最后，加入一條跳轉語句：
bl __main
__main 入口是用戶程序執(zhí)行的真正入口，我們利用 ARMCC 編譯 C 里面的 main 入口以求得到 1> 和 2> 的代碼，使得可以支持全局變量。否則的話，必須自己來實現(xiàn)全局變量的初始化或者把這些初始化操作放到函數內部來實現(xiàn)。
另外一個非常有用的編程技巧是通過串口實現(xiàn)自己的 printf 輸出。 如果使用ARMCC編譯器的 semihosting 的話，會把 printf 通過 target 的 swi 0x123456 輸出。如果已經實現(xiàn)的 serial_putchar 之類的函數，那么可以用它來實現(xiàn) fputc 接口，也就是低級的輸出函數，這樣就可以使用 printf 來輸出了，詳細的做法在 ADS 安裝目錄下面的文檔里可以找到，這里就不再贅述。
【參考文獻】
1．ARM Architecture Reference Manual ， http://www.arm.com
2．StrongARM SA1110 Manual ，http://www.intel.com
3．《uC/OS-II －源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)》，Jean J.Labrosse 著，劭貝貝譯，
中國電力出版社，2001年出版
4．uC/OS 網站，http://www.ucos-ii.com
作者簡介：李明（1978～），男，清華大學碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。
導師：賈培發(fā)教授，清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室主任。
聯(lián)系電話：010-62782266-8417(lab) 62775212(home)
電子郵件：lmcs00@mails.tsinghua.edu.cn
通訊地址：清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室（西主樓1區(qū)417室），100084
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