嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在LPC2378上的移植及

O 引言

目前，市場(chǎng)以及院校科研用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如Vxworks，Linux和Windows CE等都已經(jīng)相當(dāng)成熟，提供了有力的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，但有些開(kāi)發(fā)成本昂貴，周期較長(zhǎng)，而μC/OS-Ⅱ是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)源代碼的公開(kāi)操作系統(tǒng)，內(nèi)核精簡(jiǎn)，移植性較強(qiáng)，非常適合用于一些小型控制和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1 操作系統(tǒng)及CPU介紹

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含有任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步通信(信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成，極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，便于移植。作為一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，最多可以管理64個(gè)任務(wù)，并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間的通信機(jī)制，同時(shí)用戶可以根據(jù)需求對(duì)內(nèi)核中的功能模塊進(jìn)行裁剪。

LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的嵌入式精簡(jiǎn)指令集微控制器，包含了1個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-SCPU，適用于為了各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用。該體系機(jī)構(gòu)支持用戶、軟中斷、中斷、管理、中止、未定義、系統(tǒng)等7種處理器模式，ARM7TDMI-S處理器內(nèi)部有31個(gè)通用32位寄存器，6個(gè)狀態(tài)寄存器。LPC2378包含了1個(gè)10/100 EthernetMAC，USB 2.0全速接口，4個(gè)UART接口，2路CAN通道，1個(gè)SPI接口，2個(gè)同步串行端口(SSP)，3個(gè)I2C接口，1個(gè)I2S接口和 MiniBus(MiniBus僅用于LPC2378，它是8位數(shù)據(jù)/16位地址并行的總線)。下面以μC/OS-Ⅱ在工業(yè)級(jí)芯片LPC2378上的移植為例，通過(guò)分析操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)介紹μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法和過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題的解決。

2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 內(nèi)核基本結(jié)構(gòu)

圖1是接近μC/OS-Ⅱ的簡(jiǎn)單內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)核保留給上層應(yīng)用的接口有3個(gè)，分別是軟保護(hù)、ITC和DSR。由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，因此最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的使用權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

2.2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核基本工作原理

多任務(wù)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU，并且負(fù)責(zé)各任務(wù)之間的通信和協(xié)同，任務(wù)切換是內(nèi)核提供的基本服務(wù)。μC/OS-Ⅱ多任務(wù)操作系統(tǒng)的基本工作原理如下：

(1)在使用μC/OS-Ⅱ的所有服務(wù)之前，必須調(diào)用初始化函數(shù)OSInit()，初始化所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)創(chuàng)建空閑任務(wù) OSTaskIdle()，并賦予最低的優(yōu)先級(jí)別和永遠(yuǎn)的就緒態(tài)，同時(shí)完成任務(wù)控制塊(TCB)的初始化、TCB優(yōu)先級(jí)表的初始化、TCB鏈表的初始化和事件控制塊(ECB)鏈表的初始化。

(2)調(diào)用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()創(chuàng)建至少一個(gè)新任務(wù)，并給任務(wù)賦予一定的優(yōu)先級(jí)，而且它們有各自的一套CPU寄存器和自己的?？臻g。

(3)調(diào)用OSSTART()函數(shù)，通過(guò)從任務(wù)就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級(jí)別最高的任務(wù)控制塊，然后開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度。

3 μC/OS-Ⅱ在LPC2378上的移植過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題分析

現(xiàn)以LPC2378微控制器上的移植為例，分析μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植的一般方法，所采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為ARM公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2。

3.1 移植代碼

(1)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型無(wú)關(guān)的代碼有μC/OS-Ⅱ.H，μC/OS- Ⅱ.C，OS_CORE.C，OS_TASK.C，OS_TIME.C，OS_SEM.C，OS_MBOX.- C，OS_MUTEX.C，OS_FLAG.C，也就是說(shuō)這些文件可以不用修改就直接添加。

(2)μC/OS-Ⅱ與CPU類(lèi)型有關(guān)的代碼有OSCPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C，也就是說(shuō)用戶需要根據(jù)所選CPU的類(lèi)型將這些函數(shù)進(jìn)行修改后才能添加入內(nèi)核。

3.2 OS_CPU.H文件的定義與修改

OS_CPU.H文件定義了與編譯器及CPU相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、堆棧的寬度和增長(zhǎng)方式以及開(kāi)關(guān)中斷的宏定義。由于微處理器和微控制器所支持的堆棧增長(zhǎng)方式不同，這里需要根據(jù)所選芯片LPC2378支持的類(lèi)型對(duì)宏OS_STK_GRWOTH進(jìn)行定義，由于ARM7 TD-MI-S內(nèi)核堆棧支持從上往下的生長(zhǎng)方式，所以應(yīng)做如下定義：

#define OS_STK_GROWTH 1 //堆棧是從上往下長(zhǎng)的OS_CPU.H文件中另外3個(gè)宏 OS_CRITICAL_METHOD，OS_ENTER_CRITICAL()，OS_EXIT_CRITICAL()用于定義開(kāi)關(guān)中斷的方式及開(kāi)關(guān)中斷的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)用開(kāi)關(guān)中斷2個(gè)宏來(lái)保護(hù)臨界代碼如下：

3.3 OS_CPU_C.C文件中主要函數(shù)的定義及編寫(xiě)

OS_CPU_C.C中要求用戶編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)：

結(jié)合要移植的CPU內(nèi)核的硬件和寄存器特性，簡(jiǎn)要對(duì)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)進(jìn)行分析和創(chuàng)建：

其他9個(gè)函數(shù)必須聲明，但并不一定包含任務(wù)代碼。

3.4 μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-Ⅱ的移植，還要求編寫(xiě)4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù);即OSStartHighRdy()，OSintCtxSw()，OSTIckISR()，OSCtxSw()。

3.4.1 函數(shù)OSStart()調(diào)用OSStartHighRdy()

函數(shù)OSStart()用于調(diào)用OSStartHighRdy()，以使使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行：

3.4.2 時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序

μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和超時(shí)確認(rèn)功能，時(shí)鐘節(jié)拍每秒發(fā)生10～100次。必須在開(kāi)始多任務(wù)后，啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，但由于Osatart()函數(shù)不會(huì)返回，用戶無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一操作，所以可以在OSStart()運(yùn)行之后，μC/OS啟動(dòng)的第1個(gè)任務(wù)中初始化節(jié)拍中斷?；贚PC2378移植下OSTicklSR()的簡(jiǎn)易代碼編寫(xiě)如下：