嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ剖析與移植

現(xiàn)在，大家不僅擁有放在桌上處理文檔、進(jìn)行工作管理的通用計(jì)算機(jī)，而且也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品的智能化，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的出現(xiàn)，使用在通用計(jì)算機(jī)中操作系統(tǒng)通過(guò)變身慢慢出現(xiàn)在嵌入式產(chǎn)品中。操作系統(tǒng)與硬件緊密相關(guān)，如何將操作系統(tǒng)簡(jiǎn)便的移植到各式各樣的嵌入式產(chǎn)品中是產(chǎn)品廠家急需解決的問(wèn)題。了解操作系統(tǒng)的基本概念、基本原理，掌握操作系統(tǒng)的主要任務(wù)及功能的設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)人員需要具備的知識(shí)。想要移植操作系統(tǒng)到電子產(chǎn)品中，需了解實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念、內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如何裁剪操作系統(tǒng)代碼。本文通過(guò)對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ源代碼的分析及移植，掌握多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基本概念、競(jìng)爭(zhēng)與調(diào)度算法、任務(wù)間同步與通信、存儲(chǔ)與定時(shí)的管理。

1 嵌入式操作系統(tǒng)分類

運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及其所操作的部件、裝置等資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件叫作嵌入式操作系統(tǒng)。其有如下特點(diǎn)：微型化、可裁剪性、實(shí)時(shí)性、高可靠性和易移植性。按嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍分類可分為：

(1) 通用型嵌入式操作系統(tǒng)，Windows CE，Vx-Works，μCLinux和μC/OS;

(2)專用型嵌入式操作系統(tǒng)，如移動(dòng)電話的Symbian，PDA的Palm OS。

嵌入式操作系統(tǒng)還可分為商用型和免費(fèi)型：

(1)商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價(jià)格昂貴，如Vx-works，QNX，WinCE，Palm OS等;

(2)免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要有Linux和μC/OS-Ⅱ，穩(wěn)定性與服務(wù)性存在挑戰(zhàn)。按嵌入式操作系統(tǒng)使用領(lǐng)域分類可分為：有線電視機(jī)頂盒領(lǐng)域，PowerTV;移動(dòng)通信領(lǐng)域，EPOC;掌上計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，Palm OS;數(shù)字影像領(lǐng)域，Digita。

2 μC/OS-Ⅱ代碼剖析

微控制器操作系統(tǒng)(Micro Controller OS，μC/OS)是美國(guó)人Jean J.Labrosse 1992年完成的，應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等。μC/OS-Ⅱ用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。其源代碼可以從網(wǎng)站www.micrium.com中免費(fèi)下載。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要工作是對(duì)任務(wù)進(jìn)程管理和調(diào)度。典型的任務(wù)一個(gè)無(wú)限循環(huán)，如圖1所示。

圖1 任務(wù)的組成

下面對(duì)創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate()的源代碼做簡(jiǎn)單的介紹。

μC/OS-II支持64個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)越高，數(shù)字越小。當(dāng)創(chuàng)新一個(gè)新任務(wù)時(shí)，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)OSTaskCreate()需先獲得一個(gè)未被使用的在有效值范圍內(nèi)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，初始化任務(wù)堆棧函數(shù)OSTaskStkInit()獲得該任務(wù)的初始數(shù)據(jù)(指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字等)，初始化任務(wù)控制塊函數(shù)OSTCBInit()獲取從務(wù)控制塊鏈表中一個(gè)任務(wù)控制塊并用任務(wù)的屬性對(duì)其進(jìn)行賦值后將其鏈入到任務(wù)控制塊鏈表的頭部，OSSched()函數(shù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心工作就是任務(wù)調(diào)度。所謂調(diào)度就是通過(guò)一個(gè)算法在多個(gè)任務(wù)中確定哪個(gè)任務(wù)來(lái)運(yùn)行。 μC/OS-Ⅱ是占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，則擁有CPU的所有權(quán)開(kāi)始投入運(yùn)行。μC/OS-Ⅱ進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的思想是每時(shí)每刻總是讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。μC/OS-Ⅱ進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的依據(jù)就是任務(wù)就緒表。任務(wù)就緒表記載就緒的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，根據(jù)任務(wù)就緒表可以判斷出哪個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最高，進(jìn)行調(diào)度。

3 μC/OS-Ⅱ移植

所謂操作系統(tǒng)的移植，是指使一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在某個(gè)微處理器平臺(tái)上運(yùn)行。μC/OS-Ⅱ的主要代碼都是由標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言寫(xiě)成的，移植方便。移植的主要工作是修改部分與處理器硬件相關(guān)的代碼。雖然μC/OS-Ⅱ在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)充分考慮了可移植性，但是μC/OS-Ⅱ在讀/寫(xiě)處理器寄存器時(shí)，只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此仍需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)一些與處理器硬件相關(guān)的代碼。μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，在該圖中可以很容易看出哪些代碼文件與處理器相關(guān)需要移植時(shí)修改。圖中中間有3大塊代碼文件顯示區(qū)域，左上區(qū)域?yàn)榕c處理器無(wú)關(guān)的代碼，右上區(qū)域?yàn)榕c應(yīng)用有關(guān)的代碼，下面區(qū)域是與處理器相關(guān)的代碼。下面區(qū)域包括C語(yǔ)言O(shè)S_CPU.H和OS_CPU_C.C和匯編語(yǔ)言O(shè)S_CPU_A.ASM代碼文件，在移植時(shí)重點(diǎn)去修改這幾個(gè)文件。

3.1 修改OS_CPU.H

OS_CPU.H中的與處理器和編譯器相關(guān)的代碼包括了用#define語(yǔ)句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類型、與ARM 處理器相關(guān)宏開(kāi)啟/關(guān)閉中斷的代碼。絕大多數(shù)的微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長(zhǎng)的。但是某些處理器是用另外一種方式工作的。μC/OS-Ⅱ被設(shè)計(jì)成兩種情況都可以處理，只要在結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH中指定堆棧的生長(zhǎng)方式即可。如設(shè)置OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從下往上增長(zhǎng);設(shè)置OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從上往下增長(zhǎng)。

3.2 修改OS_CPU_C.C

OS_CPU_C.C中的與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù) OSTaskStkInit()，OSInitHookBegin()，OSInitHookEnd()，OSTaskCreateHook()，OSTaskDelHood()，OSTaskSwHook()，OSTaskStatHook()，OSTCBInitHook()，OSTimeTickHook()，OSTaskIdleHook()。如系統(tǒng)啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，CPU從堆棧初始化OSTaskStkInit()中獲得初始數(shù)據(jù)，如指向任務(wù)的指針、程序狀態(tài)字。不同處理器內(nèi)部的寄存器個(gè)數(shù)及每個(gè)位數(shù)不同需要根據(jù)實(shí)際情況修改。

圖2 μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)

3.3 修改OS_CPU_A.ASM

OS_CPU_A.ASM 中的與處理器相關(guān)函數(shù)OSS-tartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。下面以運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSS-tartHighRdy()為例分別移植到ARM和8086中代碼改變情況。