嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II在S12單片機(jī)上的移植

1 引言

在采用前后臺系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式的嵌入式系統(tǒng)中，主程序是一個無限循環(huán)，單任務(wù)順序執(zhí)行，通過設(shè)置一個或多個中斷來處理異步事件。這種系統(tǒng)對于簡單的應(yīng)用是可以的，但對于實(shí)時性要求比較高的、處理任務(wù)較多的應(yīng)用，就會暴露出實(shí)時性差、系統(tǒng)可靠性低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。μC/OS-II 是一個源代碼公開、可移植、可裁剪的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有低成本、穩(wěn)定可靠、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，是專門針對微處理器和微控制器設(shè)計(jì)的實(shí)時內(nèi)核，它的內(nèi)核可以做到很小，很適合在單片機(jī)系統(tǒng)上移植。移植了μC/OS-II 的嵌入式系統(tǒng)可以使各個任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。本文選用飛思卡爾(Freescale)公司的16 位單片機(jī)MC9S12DG128 作為硬件平臺，針對MC9S12DG128 的存儲器組織和體系結(jié)構(gòu)，對μC/OS-II 源代碼作了相應(yīng)的改寫，最終實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II 操作系統(tǒng)在MC9S12DG128 上的移植。通過μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植，可以掌握移植和測試μC/OS-II 的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，同時也很容易將其移植到其它的CPU 平臺上。

2 MC9S12DG128 的體系結(jié)構(gòu)(存儲器的組織)

作者認(rèn)為深刻理解MC9S12DG128 微控制器的體系結(jié)構(gòu)和存儲器組織是移植成功的一個關(guān)鍵步驟。MC9S12DG128 是16 位的高性能單片機(jī)，它具有極低的電源功耗和可高達(dá)25MHz 的內(nèi)部總線頻率，片內(nèi)資源包括1KB 的內(nèi)部寄存器、8KB RAM、128KB FLASH、2KBEEPROM。MC9S12DG128 采用普林斯頓總線結(jié)構(gòu)，程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和I/O 端口為統(tǒng)一編址方式，總的尋址空間為64 KB，但DG128 內(nèi)部有128KB Flash，顯然存儲空間超過了S12MCU 可尋址的64KB 空間，因此引入了頁面訪問機(jī)制，S12CPU 在內(nèi)存的$8000～$BFFF 這一段開了一個窗口，這里有8 個16KB 的頁面(其中$3E 和$3F 有固定地址)，可以通過頁面寄存器(PPAGE)選擇其中的一頁。對于64KB 以外的存儲區(qū)，應(yīng)用專用指令CALL 調(diào)用子程序，然后通過RTC 指令返回。

微控制器內(nèi)部不同的存儲器占用不同的存儲空間，也就是說，不同的地址范圍，它們均占據(jù)特定的地址空間，這些存儲器和內(nèi)部集成模塊的地址分配并不是固定不變的，用戶自己可以重新分配，但建不要輕易改動默認(rèn)的映射空間，應(yīng)直接采用默認(rèn)地址映射空間。圖1 是MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分配情況。其中，地址$0000～$03FF 為1KB 寄存器空間; $0000～$1FFF 為8KB RAM(可見7KB);$0000～$07FF 為2KBEEPROM(不可見)。

圖1 MC9S12DGl28 復(fù)位后的內(nèi)存空間分布情況

可以通過設(shè)置INITRG，INITRM，INIteE 寄存器來重新分配各存儲器的位置。這些寄存器只能寫一次，建議在初始化時分配存儲器的位置。如果映射出現(xiàn)地址重疊時，S12CPU 內(nèi)部的優(yōu)先級控制邏輯會自動屏蔽級別較低的資源，保留級別最高的資源。寄存器具有最高優(yōu)先級，與其重疊的RAM 和EEPROM 此時無效。存儲器的優(yōu)先級如下表所列。

3 μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植

μC/OS-II 運(yùn)行時要占用一部分ROM 和RAM 空間，但μC/OS-II 操作系統(tǒng)內(nèi)核目標(biāo)代碼最小可以裁剪到小于2KB，MC9S12DG128 有8KB 的RAM 存儲器和128KB 的Flash 存儲器，所以μC/OS-II 操作系統(tǒng)完全可以移植并運(yùn)行在MC9S12DG128 上。

μC/OS-II 的95%代碼是由ANSI C 寫成的，具有很好的移植性。要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II向S12 的移植，主要是做兩方面的工作，一是重新定義內(nèi)核的大小和功能;二是為內(nèi)核編寫與硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 μC/OS-II 的文件結(jié)構(gòu)

可以看到，μC/OS-II 與CPU 類型無關(guān)的C 代碼文件包括很多文件，它們是μC/OS-II的內(nèi)核和很多功能函數(shù)，其中OS_CORE.C、OS_TIME.C 和OS_TASK.C 這三個文件是一定要用的，其他幾個文件用于任務(wù)間通信，應(yīng)用程序中可能只用到其中的幾個，不用的可以不包含進(jìn)去，以避免編譯時生成沒有代碼。這部分代碼與CPU 類型無關(guān)，在移植時，這些文件一個也不要動。

與CPU 類型有關(guān)的代碼文件主要有：OS_CFG.H、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPUC.C。OS_CFG.H 是配置文件，需要根據(jù)應(yīng)用配置，主要作用是確定用戶應(yīng)用程序使用μC/OS-II 提供的哪些系統(tǒng)功能函數(shù)，這個文件移植時要修改。OS_CPU.H 文件定義用于特定CPU 的數(shù)據(jù)類型、定義相關(guān)的宏。OS_CPU_A.ASM 是用匯編語言寫的硬件有關(guān)的代碼，OS_CPUC.C 文件是用C 語言寫的與硬件有關(guān)的代碼。如果移植使用的C 交叉編譯工具在C 代碼中可以插入?yún)R編語句，那么在移植中，可以將OS_CPU_A.ASM 合到S_CPUC.C文件中。

3.1 重新定義內(nèi)核的大小和功能

公共頭文件INCLUDES.H，這個文件會被所有的C 源程序引用。在本例中此文件的代碼如下。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

前四個頭文件是C 函數(shù)庫、預(yù)定義的類型等，和移植沒有關(guān)系，是否一定要加取決于所用的編譯器。后三個頭文件必須被引用，用戶可以添加自己的頭文件，但一定要放

在最后面。

需要根據(jù)應(yīng)用修改的文件是OS_CFG.H，這個文件用于配置內(nèi)核的屬性。用于設(shè)置與微控制器CPU 核心相關(guān)的屬性，包括各種數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的存儲長度等等。OS_CPU.H 包括了用#define 語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏及類型等。因?yàn)椴煌奶幚砥饔胁煌淖珠L，所以μC/OS-II 的移植包括的一系列數(shù)據(jù)類型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II 代碼不使用語言中的short，int，及l(fā)ong 等數(shù)據(jù)類型，因?yàn)樗鼈兪桥c編譯器相關(guān)的，是不可移植的。采用定義的整形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等既是可移植的，又很直觀。

typedef unsigned char BOOLEAN; /* 布爾變量*/

typedef unsigned char INT8U; /* 無符號8 位整型變量*/