μCOSII在基于Cortex-M3核的ARM處理器上的移植

1 軟硬件開發(fā)環(huán)境及處理器介紹
1．1 軟件硬開發(fā)環(huán)境
本移植過程使用的軟件環(huán)境是RealView MDK開發(fā)套件，此產(chǎn)品是ARM公司最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具，該開發(fā)套件功能強大，包括了μVision3集成開發(fā)環(huán)境和RealView編譯器。使用的硬件平臺是深圳英蓓特公司推出的全功能評估板STMl03V100，其上所采用的處理器是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位哈佛結(jié)構(gòu)ARM處理器STM32F103VBT6，該處理器內(nèi)置ARM公司最新的Cortex―M3核，并且具有非常豐富的片上資源。
1．2 關(guān)于基于Cortex-M3的ARM處理器的介紹
基于Cortex―M3核的ARM處理器支持兩種模式，分別稱為線程模式和處理模式。程序可以在系統(tǒng)復(fù)位時或中斷返回時兩種情況下進入線程模式，而處理模式只能通過中斷或異常的方式來進入。處于線程模式中代碼可以分別運行在特權(quán)方式下和非特權(quán)方式下。處于處理模式中的代碼總是運行在特權(quán)方式下。運行在特權(quán)方式下的代碼對系統(tǒng)資源具有完全訪問權(quán)，而運行在非特權(quán)方式下的代碼對系統(tǒng)資源的訪問權(quán)受到一定限制。處理器可以運行在Thumb狀態(tài)或Debug狀態(tài)。在指令流正常執(zhí)行期間，處理器處于Thumb狀態(tài)。當(dāng)進行程序調(diào)試時，指令流可以暫停執(zhí)行，這時處理器處于Debug狀態(tài)。處理器有兩個獨立的堆棧指針，分別稱為MSP和PSP。系統(tǒng)復(fù)位時總是處于線程模式的特權(quán)方式下，并且默認使用的堆棧指針是MSP。本移植過程中假設(shè)任務(wù)總是運行在線程模式的特權(quán)方式下且總是使用堆棧指針PSP。

2 移植過程詳解
2．1 μCOS-II內(nèi)核介紹
μCOS―II是一個實時可剝奪型操作系統(tǒng)內(nèi)核，該操作系統(tǒng)支持最多64個任務(wù)，但每個任務(wù)的優(yōu)先級必須互不相同，優(yōu)先級號小的任務(wù)比優(yōu)先級號大的任務(wù)具有更高的優(yōu)先級，并且該操作系統(tǒng)總是調(diào)度優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)運行。此內(nèi)核的代碼是美國人Jean J．Labrosse用C語言編寫的，具有很好的可移植性，其2．52版本通過了美國航天航空管理局的安全認證，可靠性非常高。文中所述的移植過程使用的就是該版本的源代碼。
2．2 開始移植
μCOS―II v2．52的源代碼按照移植要求分為需要修改部分和不需要修改部分。其中需要修改源代碼的文件包括頭文件OS_CPU．H、C語言文件OS_CPU．C以及匯編格式文件OS_CPU_A．ASM。
2．2．1 修改頭文件OS_CPU．H
頭文件OS_CPU．H中需要修改的內(nèi)容有與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型重定義部分和與處理器相關(guān)的少量代碼。由于本移植過程中使用的是RealView編譯器，因此通過查閱此編譯器的相關(guān)說明文檔可以得到其所支持的基本數(shù)據(jù)類型，據(jù)此修改OS_CPU．H中與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型重定義部分。修改后代碼如下所示：

其中定義的數(shù)據(jù)類型OS_STK指出了處理器堆棧中的數(shù)據(jù)是32位的，OS_CPU_SR指出了處理器狀態(tài)寄存器字長也為32位。
頭文件中與處理器相關(guān)部分代碼包括臨界區(qū)訪問處理、處理器堆棧增長方向及任務(wù)切換宏定義。臨界區(qū)代碼訪問涉及到全局中斷開關(guān)指令，由文獻可以得知關(guān)中斷和開中斷可以分別由指令CPSID i和CPSIE i實現(xiàn)，文中臨界段訪問處理如下：

其中INT_DIS()和INT_EN()分別對應(yīng)關(guān)中斷和開中斷處理過程。
根據(jù)文獻可知文中所使用的處理器支持的堆棧為滿遞減方式，即堆棧的增長方向是從內(nèi)存高地址向低地址方向遞減并且堆棧指針總是指向棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。在頭文件OS_CPU．H中相應(yīng)代碼只須修改一條，如下所示
#define OS_STK_GROWTH1
此定義中的1代表堆棧方向是向下遞減的。
頭文件OS_CPU．H中最后一個要修改的地方是任務(wù)切換宏定義，μCOS―II內(nèi)核就是通過這個宏調(diào)用來觸發(fā)任務(wù)級的任務(wù)切換。任務(wù)切換一般是通過陷阱或軟件中斷來實現(xiàn)的，在基于Cortex―M3核的處理器中支持一條稱為超級用戶調(diào)用的指令SVC，此指令是ARM軟件中斷指令SWI的升級版。此處的宏定義代碼修改為如下形式
#define OS_TASK_SW()OS_SVC()
其中OS_SVC()之中包含了SVC指令，它可以由嵌入?yún)R編的方式在C語言代碼中進行定義，如下所示
_asm void OS_SVC(void){SVCOx00}
以上代碼以嵌入?yún)R編的方式定義了一個輸入?yún)?shù)和返回值都為空的C語言函數(shù)，嵌入?yún)R編的格式在RealView編譯器的說明文檔中有詳細的說明。
2．2．2 修改C語言文件OS_CPU．C
根據(jù)文獻可知文件OS_CPU．C中有10個C語言函數(shù)需要編寫，這些函數(shù)中唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit，其他9個函數(shù)必須聲明，但不一定要包含任何代碼。為了簡潔起見，本移植過程只編寫了OSTaskStkInit，此函數(shù)的作用是把任務(wù)堆棧初始化成好像剛發(fā)生過中斷一樣。要初始化堆棧首先必須了解微處理器在中斷發(fā)生前后的堆棧結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻易知微處理器在中斷發(fā)生前后的堆棧結(jié)構(gòu)，并且可知寄存器xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、RO是中斷時由硬件自動保存的。初始化時需要注意的地方是xPSR、PC和LR的初值，對于其他寄存器的初值沒有特別的要求。xPSR比特位是Thumb狀態(tài)位，初始化時須置1，否則執(zhí)行代碼時會引起一個稱為Invstate的異常，這是因為內(nèi)置Cortex―M3核的微處理器只支持Thumb和Thumb2指令集。堆棧中PC和LR須初始化為任務(wù)的入口地址值，這樣才能在任務(wù)切換時跳轉(zhuǎn)到正確的地方開始執(zhí)行。此函數(shù)可以用以下代碼來實現(xiàn)

2．2．3 修改匯編語言文件OS_CPU_A．ASM
匯編文件OS_CPU_A．ASM中需要編寫的函數(shù)分別為OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。第一個函數(shù)的作用是啟動多任務(wù)調(diào)度，此函數(shù)只在操作系統(tǒng)開始調(diào)度任務(wù)前執(zhí)行一次，以后不再調(diào)用。按照文獻中所述須將堆棧中的寄存器依次彈出，然后執(zhí)行一條中斷返回指令來開始第一個用戶任務(wù)的調(diào)度。但基于Cortex―M3核的ARM處理器在執(zhí)行中斷返回指令時必須處于處理模式下，否則將會引起內(nèi)存訪問異常。當(dāng)系統(tǒng)上電啟動時或程序重置后，處理器會進入線程模式，而要在函數(shù)OSStartHighRdy中執(zhí)行中斷返回指令就首先需要進行模式轉(zhuǎn)換，進入處理模式，而進行同步可控制模式轉(zhuǎn)換的途徑是超級用戶調(diào)用，即通過SVC指令產(chǎn)生軟件中斷可轉(zhuǎn)換到處理模式。實際上考慮到此函數(shù)只在啟動多任務(wù)調(diào)度開始前被調(diào)用一次，并且第一次調(diào)度任務(wù)運行時任務(wù)堆棧中除了xPSR、PC和LR的初值以外，其他寄存器的初值無關(guān)緊要。因此可以簡化該函數(shù)的編寫，只須從第一個任務(wù)的堆棧中取出該任務(wù)的首地址，然后修改堆棧指針使其指向任務(wù)堆棧中內(nèi)存地址最高處，即相當(dāng)于拋棄任務(wù)堆棧中所有數(shù)據(jù)，最后根據(jù)取出的地址直接跳轉(zhuǎn)到任務(wù)入口地址處開始執(zhí)行。這樣可以免去軟件中斷和模式切換，從而簡化了對此函數(shù)的編寫。需要說明的是在拋棄任務(wù)堆棧中所用數(shù)據(jù)的同時也將xPSR的初值拋棄了，但這并不影響第一個任務(wù)投人運行，因為在跳轉(zhuǎn)到第一個任務(wù)運行之前，指令流是在Thumb狀態(tài)下正常執(zhí)行的，xPSR已經(jīng)有了確定的值。此函數(shù)代碼如下所示