μC／OS-II在LPC213X上的多種移植方案

1 與μC/OS-II移植工作相關(guān)的主要特性

ARM體系結(jié)構(gòu)分為7種運(yùn)行模式，ARM和Thumb兩種工作狀態(tài)。LPC213X的編程模型就是標(biāo)準(zhǔn)的ARM7體系結(jié)構(gòu);同時(shí)LPC213X也具備ARM的標(biāo)準(zhǔn)異常模式IRQ和FIQ。稍具特色的是其VIC向量中斷控制器。分別對(duì)IRQ、FIQ、非向量中斷和軟件中斷進(jìn)行了分類，具有對(duì)32個(gè)中斷輸入的可編程分配機(jī)制。這對(duì)于μC/OS-II的移植至關(guān)重要。

芯片內(nèi)部的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘可由獨(dú)立的32 MHz晶振或基于VPB時(shí)鐘的可編程預(yù)分頻提供，作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)源。

2 μC/OS-II移植的主要工作

移植工作分為編譯器相關(guān)和處理器相關(guān)兩部分。前者主要涉及數(shù)據(jù)類型定義、代碼格式、頭文件組織、條件編譯選項(xiàng)及混合編程等;后者主要涉及開(kāi)關(guān)中斷、堆棧方向、任務(wù)棧結(jié)構(gòu)初始化、任務(wù)調(diào)度、中斷控制和響應(yīng)、時(shí)鐘節(jié)拍處理和高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行等。

主要是編寫3個(gè)文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S。其中l(wèi)主要包含以下幾個(gè)重要函數(shù);OSTaskStkInit()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()和OSTickISR()等。另外，還須編寫配置文件、引導(dǎo)及初始化代碼和調(diào)試等。

3 兩個(gè)可行的移植方案

針對(duì)ARM所具有的7種不同運(yùn)行模式，移植μC/OS-II系統(tǒng)時(shí)采用的處理器模式方案是多樣的。例如，可以讓系統(tǒng)運(yùn)行在SVC管理模式，SWI軟中斷也用SVC模式，其他為異常模式;也可以使μC/OS-II運(yùn)行在SYS系統(tǒng)模式;還可以使μC/OS-Il運(yùn)行于用戶模式，任務(wù)或中斷切換時(shí)將其從SVC模式或IRQ、FlQ模式切換到SYS模式處理堆棧。在此形成以下兩種方案，并結(jié)合移植過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

方案一：系統(tǒng)運(yùn)行于SVC管理模式，異常運(yùn)行于異常模式。

①開(kāi)關(guān)中斷。設(shè)置這種方案中OS_CRITICAL_METHOD為3，則開(kāi)中斷過(guò)程為先保存CPSR寄存器值到RO，通過(guò)設(shè)置CPSR6、CPSR7兩位禁止FIQ和IRQ，關(guān)中斷則恢復(fù)原先開(kāi)中斷時(shí)保存在R0中的CPSR。

②任務(wù)切換。因?yàn)榉钱惓Ｈ蝿?wù)都運(yùn)行在SVC模式，所以任務(wù)切換要做的只是保存舊任務(wù)的寄存器狀態(tài)到堆棧，并且恢復(fù)新任務(wù)的堆棧狀態(tài)到寄存器當(dāng)中，相關(guān)函數(shù)為OSCtxSw()。要注意在這里上下文切換中無(wú)須對(duì)SPSR負(fù)責(zé)，因?yàn)镾PSR是備份CPSR寄存器，只有當(dāng)模式切換從FIQ、IRQ模式退出時(shí)才發(fā)生作用。換句話講，SPSR總是在中斷禁止時(shí)才發(fā)生作用。

③中斷級(jí)任務(wù)切換和相應(yīng)中斷機(jī)制。中斷異常分為FIQ和IRQ異常。IRQ的中斷級(jí)任務(wù)切換過(guò)程OS_CPU_IRQ_ISR()如圖1所示。

由圖1可知，該函數(shù)作為μC/OS-II系統(tǒng)的中斷調(diào)度函數(shù)，進(jìn)入中斷IRQ模式后立即返回SVC模式保存原先任務(wù)狀態(tài);再回到IRQ執(zhí)行用戶級(jí)中斷處理代碼OS_CPU_IRQ_ISR_Handler();完成后返回SVC模式運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

LPC213X具有VIC向量中斷控制器，把所有中斷分為FIQ、向最中斷和非向量中斷。FIQ從中斷向量表處開(kāi)始處理程序，直接在用戶中斷處理代碼OS_CPU_FTQ_ISR_Handler()里調(diào)用中斷處理程序;而向量中斷IRQ在響應(yīng)時(shí)會(huì)在VICVectAddr(0xFFFFF030)寄存器上出現(xiàn)該中斷處理程序的首地址。所以作為μC/OS-II的IRQ的用戶中斷處理代碼，必須進(jìn)行如下處理：

　④中斷向量表。在該方案的中斷向量表中，F(xiàn)IQ和IRQ中斷向量填寫的是程序跳轉(zhuǎn)指令。其中FIQ跳到OS_CPU_FIQ_ISR()，IRQ跳到OS_CPU_IRQ_ISR()。

⑤時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生。μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍需要lO～100ms一次的精確間隔。LPC213X使用11 MHz的外部晶振，外設(shè)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘頻分比設(shè)為l，而RTC設(shè)置外設(shè)時(shí)鐘為時(shí)鐘源，然后把Timer0作為向量中斷IRQ，編寫時(shí)鐘中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍。

方案二：系統(tǒng)運(yùn)行于SYS系統(tǒng)模式,異常服務(wù)程序處理在SYS系統(tǒng)模式下執(zhí)行，軟中斷處理在管理模式下執(zhí)行。

①開(kāi)關(guān)中斷。該方案下OS_CRITICAL_METHOD為2，具體過(guò)程不直接從匯編代碼實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)軟件中斷SWI系統(tǒng)服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)中斷在SVC管理模式下進(jìn)行，因?yàn)锳RM決定CPSR可以在任意模式下被訪問(wèn)。

②任務(wù)切換。任務(wù)切換包括任務(wù)級(jí)調(diào)度切換和中斷處理程序調(diào)度切換。任務(wù)級(jí)切換采用軟中斷SWI方式實(shí)現(xiàn)，需要注意的是此時(shí)SWI中斷處理程序并不返回，所以每次SWI中斷一開(kāi)始就重新初始化SVC管理模式的堆棧地址空間，否則會(huì)造成內(nèi)存泄漏或溢出。其流程如圖2所示。

圖2中，第一步為軟件中斷通用處理過(guò)程，是每一個(gè)軟件中斷都必須運(yùn)行的代碼;而后幾步為任務(wù)調(diào)度所要做的代碼，具體調(diào)度由OSCtxSw實(shí)現(xiàn)上下文切換。整體利用宏OS_TASK_SW()實(shí)現(xiàn)，在OS_CPU.H中定義該宏為軟中斷，并分配中斷號(hào)0。

③中斷級(jí)任務(wù)切換。根據(jù)LPC213X處理器的VIC控制特點(diǎn)，采用前后臺(tái)系統(tǒng)的傳統(tǒng)處理方法進(jìn)行中斷處理程序調(diào)用，只是每個(gè)中斷處理程序都加上相同的任務(wù)上下文切換相關(guān)代碼，這些代碼采用宏匯編的方法實(shí)現(xiàn)。具體流程如圖3所示。從圖中可以看出，保存上下文和恢復(fù)就緒任務(wù)都是在IRQ模式下進(jìn)行的，而用戶級(jí)處理程序在SYS模式下進(jìn)行的，與前一種方案剛好相反。但是，這樣設(shè)計(jì)中斷調(diào)度并利用宏匯編實(shí)現(xiàn)使得當(dāng)系統(tǒng)中斷處理調(diào)用較多時(shí)重復(fù)代碼量增加。

④中斷向量表。在該方案的中斷向量表中，F(xiàn)IQ和IRQ等中斷向量填寫的是宏匯編函數(shù)相對(duì)應(yīng)的中斷處理服務(wù)程序的名字，不作特殊處理。

⑤時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生。該方案的時(shí)鐘節(jié)拍與前一方案的產(chǎn)生方法相同。

4 系統(tǒng)啟動(dòng)和引導(dǎo)過(guò)程

除了以上這些移植代碼，系統(tǒng)啟動(dòng)還有很多工作要做，其流程如圖4所示。

圖4中中斷向量表的配置要根據(jù)以上兩種方案分別做工作，而初始化模式堆棧則是不同模式都必須完成的工作。用戶級(jí)的初始化代碼可以寫在外圍設(shè)備初始化中。

5 移植代碼調(diào)試過(guò)程

多任務(wù)系統(tǒng)移植代碼調(diào)試有時(shí)不能單步調(diào)試，時(shí)鐘節(jié)拍的引入令系統(tǒng)比前后臺(tái)系統(tǒng)復(fù)雜得多，所以要有好的調(diào)試方法。可以采用以下調(diào)試步驟：

①關(guān)閉時(shí)鐘節(jié)拍，即關(guān)閉時(shí)鐘中斷單步調(diào)試，看系統(tǒng)會(huì)不會(huì)進(jìn)入Taskldle任務(wù);

②關(guān)閉時(shí)鐘節(jié)拍，同時(shí)分別調(diào)試FIQ和IRQ中斷代碼;

③開(kāi)時(shí)鐘節(jié)拍，單獨(dú)調(diào)試時(shí)鐘中斷ISR;

④編寫簡(jiǎn)單的多任務(wù)程序(1個(gè)或2個(gè))，同時(shí)在每一個(gè)任務(wù)中調(diào)用OSTimaDly(1)函數(shù)，查看具體的進(jìn)程調(diào)度過(guò)程。(多種方案的移植代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注)

6 總 結(jié)

在各種系統(tǒng)的移植過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題最多的是內(nèi)存泄赫，這常常導(dǎo)致芯片發(fā)生代碼預(yù)取或數(shù)據(jù)中止異常。對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該對(duì)這類中止異常做相應(yīng)的提示。

μC/OS-II移植綜合性較強(qiáng)，在移植前必須領(lǐng)會(huì)多任務(wù)切換原理和系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)，熟悉ARM匯編語(yǔ)言和編程模型，了解啟動(dòng)代碼內(nèi)容、編譯器及芯片中斷系統(tǒng)等。該丁作看似簡(jiǎn)單但其實(shí)內(nèi)容豐富，需要較全面的軟硬件知識(shí)。

本文給出的兩種移植方案切實(shí)可行，運(yùn)行效率較高，在其他ARM7TDMI核的芯片上做小改動(dòng)后也可以應(yīng)用;同時(shí)，對(duì)其他嵌入式系統(tǒng)在不帶MMU內(nèi)存管理模塊處理器上的移植也有很好的參考價(jià)值。免費(fèi)提供本文相關(guān)代碼，請(qǐng)聯(lián)系wlazhenqian@hotmail.com。