基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究

　　本文介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念，分析了μC/OS的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了在具有ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C44B0微處理器上進(jìn)行μC/OS操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

　　一、嵌入式系統(tǒng)概述

　　嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到日常生活的各個(gè)方面，其在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍都不斷擴(kuò)大，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正式定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁減，符合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的主要特征有：系統(tǒng)內(nèi)核??；專用性強(qiáng)；系統(tǒng)精簡(jiǎn)；嵌入式軟件要求高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)軟件；軟件要求高質(zhì)量和高可靠性；嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。

　　嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，在本開發(fā)應(yīng)用中，選擇ARM7TDMI內(nèi)核結(jié)構(gòu)的samsung公司的s3c44b0作為微處理器芯片，該芯片具有主頻高、運(yùn)算速度快，超低功耗、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在該內(nèi)核基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍器件，主要有：片內(nèi)8KB高速緩存、帶有1個(gè)專用DMA通道的LCD控制器、2個(gè)通用DMA通道、1個(gè)多主機(jī)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、71個(gè)通用I/O口、8個(gè)外部中斷源、8個(gè)10位ADC等資源，主頻為66MHZ,系統(tǒng)支持大小端模式，共256MB的地址空間，支持8/16/32位數(shù)據(jù)總線編程。

　　開發(fā)平臺(tái)外配與用戶交互接口有RS-232串口電路、外擴(kuò)flash、sdram，USB控制電路、以太網(wǎng)電路、鍵盤，JTAG接口電路部分。

　　實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可以分為兩種：商用型和免費(fèi)型，前者系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，并有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，建立應(yīng)用開發(fā)較為容易，但價(jià)格昂貴，代表性的有美國(guó)WindRiver公司的VxWorks操作系統(tǒng)、Microsoft公司的WinCE操作系統(tǒng)；免費(fèi)型可以節(jié)約成本，且源碼公開，便于開發(fā)，代表性的有嵌入式Linux系統(tǒng)、μC/OS系統(tǒng)。

 　　二、嵌入式μC/OS的體系結(jié)構(gòu)

　　由于μC/OS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單構(gòu)介，編程工具絕大部分是C語(yǔ)言編程，可以在大多數(shù)界面友好的編譯器中編譯生成目標(biāo)代碼，如Borland C、Keil等工具，且其內(nèi)核最小可以到幾十K,可以在多種體系結(jié)構(gòu)的微處理器上移植，用戶的工作較小，源代碼開放，便于學(xué)習(xí)。μC/OS-II的幾大組成部分有：

　　核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。

　　任務(wù)處理部分(OSTask.c)完成任務(wù)的操作；包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。

　　時(shí)鐘部分(OSTime.c)主要完成任務(wù)延時(shí)等操作。
　　

　　任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分；　　

　　μC/OS-II的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個(gè)文件。

　　三、μC/OS在ARM微處理器上的移植

　　μC/OS-II的全部源代碼量大約是6000－7000行，一共有15個(gè)文件。將 μC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要完成的工作也非常簡(jiǎn)單，只需要修改三個(gè)和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個(gè)文件的移植工作：

　　OS_CPU.H 文件  數(shù)據(jù)類型定義，這部分的修改是與所用的編譯器相關(guān)的，不同的編譯器會(huì)使用不同的字節(jié)長(zhǎng)度來(lái)表示同一數(shù)據(jù)類型，這里采用的編譯器為集成可視化開發(fā)環(huán)境ARM SDT 2.5,相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義如下：

 　　#define BYTE       INT8S      /* Define data types for  backward compatibility */                            

　　#define UBYTE      INT8U       /*  .to uC/OS V1.xx.  Not actually needed for .  */

　　#define WORD       INT16S       /*     ... uC/OS-II.                     */                              

　　#define UWORD      INT16U

　　#define LONG       INT32S

　　#define ULONG      INT32U

　　堆棧單位因?yàn)樘幚砥鳜F(xiàn)場(chǎng)的寄存器在任務(wù)切換時(shí)都將會(huì)保存在當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的堆棧中，所以O(shè)S_STK 數(shù)據(jù)類型應(yīng)該是和處理器的寄存器長(zhǎng)度一致的。

　　typedef unsigned int   OS_STK;       /*   Each stack entry is 16-bit wide    */

　　堆棧增長(zhǎng)方向該設(shè)置由編譯器選項(xiàng)決定，在本開發(fā)中設(shè)定堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)。

　　#define OS_STK_GROWTH    1          //define the stack to grow from high to low

　　2、OS_CPU_C.C 文件

　　任務(wù)堆棧初始化  這里涉及到任務(wù)初始化時(shí)的一個(gè)堆棧設(shè)計(jì)，也就是在堆棧增長(zhǎng)方向上如何定義每個(gè)需要保存的寄存器位置，在ARM體系結(jié)構(gòu)下，任務(wù)堆?？臻g由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、… r1、r0、CPSR、SPSR。

　　void  *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)

{

    unsigned int *stk ;

    opt    = opt;                      /*  'opt' is not used, prevent warning   */

    stk    = (unsigned int *)ptos;      /*    Load stack pointer                */                                    

    *--stk = (unsigned int) task;         / *     lr                      */

    ……;                          /*      r12—r0    */

    *--stk = ARM_MODE_SYS;               /*   system mode   */

    *--stk = ARM_MODE_SYS;               /*   system mode   */

    return ((void *)stk);

}

　　當(dāng)前任務(wù)堆棧初始化完成后，OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針stk，在 OSTaskCreate（）執(zhí)行時(shí)將會(huì)調(diào)用 OSTaskStkInit 的初始化過(guò)程，然后通過(guò)OSTCBInit（）函數(shù)調(diào)用將返回的sp指針保存到該任務(wù)的TCB塊中。

　　OSStartHighRdy（）  該函數(shù)是在主程序OSStart( )多任務(wù)啟動(dòng)后執(zhí)行，負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針sp，通過(guò)sp依次將cpu現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)，這時(shí)系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進(jìn)程，僅執(zhí)行一次，此后多任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度由下面函數(shù)執(zhí)行。

 　　OSCtxSw（）  任務(wù)級(jí)的上下文切換，它是當(dāng)任務(wù)因?yàn)楸蛔枞鲃?dòng)請(qǐng)求cpu調(diào)度時(shí)被執(zhí)行，由于此時(shí)的任務(wù)切換都是在非異常模式下進(jìn)行的，它的工作是先將當(dāng)前任務(wù)的cpu現(xiàn)場(chǎng)保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧指針，從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的cpu現(xiàn)場(chǎng)，使之繼續(xù)執(zhí)行。

　　OSIntCtxSw（）  中斷級(jí)的任務(wù)切換，它是在時(shí)鐘中斷ISR（中斷服務(wù)例程）中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)等待的時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，則在中斷退出后直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行。

　　OSTickISR（） 時(shí)鐘中斷處理函數(shù)，它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時(shí)鐘中斷，調(diào)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的OSTimeTick函數(shù)，如果有等待時(shí)鐘信號(hào)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則需要在中斷級(jí)別上調(diào)度其執(zhí)行。其他相關(guān)的兩個(gè)函數(shù)是OSIntEnter（）和OSIntExit（），都需要在ISR中執(zhí)行。

　　移植完以上程序后，用戶就可以結(jié)合自己的項(xiàng)目要求來(lái)編寫自己的應(yīng)用程序了，用戶可以添加如打印、空等待等任務(wù)，以下給出了一個(gè)例程，通過(guò)調(diào)用OSTaskCreate ( )函數(shù)注冊(cè)了三個(gè)任務(wù)，由系統(tǒng)根據(jù)最優(yōu)調(diào)度原理進(jìn)行調(diào)度。

　　void main (void)

{

   Initialize();                      /* Processor specific initialization */  

   OSInit();

   bufferSemaphore = OSSemCreate(BUFFER_LENGTH - 1);

   terminalSemaphore = OSSemCreate(1);

         OSTaskCreate(Task1, (void*)string1, (void*)&stacks[0][TASK_STK_SIZE - 1], 0);                                                    

   OSTaskCreate(Task2, (void*)string2, (void*)&stacks[1][TASK_STK_SIZE - 1], 1);

   OSTaskCreate(Task3, (void*)string3, (void*)&stacks[2][TASK_STK_SIZE - 1], 2);

   OSStart();                         /*     Start.....              */

}

 　　四、驅(qū)動(dòng)程序的添加

　　由于UC/OS提供的僅僅是一個(gè)任務(wù)調(diào)度的內(nèi)核，通過(guò)以上移植，要想得到一個(gè)相對(duì)完整、實(shí)時(shí)的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，還必須進(jìn)行相當(dāng)多的擴(kuò)展工作。主要有：建立文件系統(tǒng)、通過(guò)開發(fā)如LCD液晶顯示、USB通信、鍵盤、串口等驅(qū)動(dòng)程序從而提供應(yīng)用程序調(diào)用的API函數(shù)，還有創(chuàng)建圖形用戶接口（GUI）函數(shù)等，下面主要介紹一下串口驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

void Uart_Init(int mclk,int baud)     {  }

　　該函數(shù)主要是初始化串口，設(shè)置波特率，其中mclk是系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率，band參數(shù)傳遞串口通信波特率。 

void Uart_Select(int ch)   {      }

   該函數(shù)進(jìn)行串口選擇，ch 傳遞串口號(hào)。  

char Uart_Getch(void)     {        }

該函數(shù)從串口讀取字符，存放在一數(shù)組內(nèi)。

void Uart_GetString(char *string)   {    }

該函數(shù)讀取要發(fā)送的字符串，并一個(gè)一個(gè)字符地從串口發(fā)送。

void Uart_SendByte(int data)     {      }      

該函數(shù)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)，data是需要發(fā)送的字符。

void Uart_SendString(char *pt)    {     }

該函數(shù)通過(guò)串口發(fā)送字符串，pt是字符串首地址的指針。

通過(guò)以上接口函數(shù)，系統(tǒng)向用戶提供了屏蔽底層硬件的API函數(shù)，用戶可以通過(guò)調(diào)用以上函數(shù)，方便地對(duì)串口進(jìn)行操作。

 　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　目前市場(chǎng)上基于μc/os嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品比較多，應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、信息家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方面，而且基于μc/os的應(yīng)用正潮起云涌，蓬勃發(fā)展。隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究日新月異，μc/os正是我們手中開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的利器，較好的掌握這門技術(shù)可以將理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，更好地服務(wù)于我們的日常生活和生產(chǎn)中。

 　　參考文獻(xiàn)：　

　　1、邵貝貝譯.μC/ OS -Ⅱ源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M] . 北京:中國(guó)電力出版社, 2001.

　　2、王田苗     嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)                清華大學(xué)出版社2003年10月

　　3、鄒思軼    嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用                        清華大學(xué)出版社2002年1月