嵌入式操作系統(tǒng)移植實(shí)例：使用ADS移植uC/OS-II

選擇開(kāi)發(fā)工具在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)工具的選取是一個(gè)重要的考慮因素，通常這是與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的需求和應(yīng)用背景相關(guān)。一般嵌入式開(kāi)發(fā)工具包含用于目標(biāo)系統(tǒng)的交叉編譯器、連接器、調(diào)試器以及輔助處理用的二進(jìn)制文件分析工具等。

目前可以用來(lái)編譯鏈接產(chǎn)生 ARM 處理器執(zhí)行代碼的開(kāi)發(fā)工具主要有如下幾類(lèi)：1. ARM 公司提供的 ARM Developer Suite 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境主要工具有 armasm、armcc、armlink、fromelf 等。

2. GNU 組織提供的 tool chain for arm主要工具有 arm-elf-gcc、arm-elf-gdb、arm-elf-objcopy 等3. Microsoft公司提供的 eMbedded Visual Tools主要工具有 clarm、clthumb、c2_arm、link、lib等這里我們選用 ARM 公司提供的 ADS 下的工具集來(lái)編譯我們的程序和鏈接目標(biāo)代碼并最終生成可執(zhí)行的二進(jìn)制映像。這里介紹一下主要會(huì)用到的一些工具：armasm.exe ： 匯編文件編譯器armcc.exe ： C 文件編譯器armlink.exe ： 目標(biāo)文件連接器fromelf.exe ： 用于將 axf 或者 elf 格式轉(zhuǎn)換成其他格式的文件，例如二進(jìn)制映像。

armprof.exe ： 對(duì)調(diào)試過(guò)程中生成的 profiling 記錄文件做分析用的工具軟件啟動(dòng)代碼由于板子的 0x0 地址處是 32M 的Flash ROM，因此在板子加電后，會(huì)從 Flash 中順序執(zhí)行啟動(dòng)代碼。為了能使得mC/OS-II 運(yùn)行，啟動(dòng)代碼需要完成如下工作：1. 設(shè)置 異常向量表，即在 0x0-0x1c 位置放置7條跳轉(zhuǎn)指令(其中 0x14 為空)

2.分別實(shí)現(xiàn)每種異常的處理程序，其中包括 Reset_Handler、Undefined_Handler、SWI_Handler、Prefetch_Handler、Abort_Handler、IRQ_Handler、FIQ_Handler. 3. 程序從 Reset_Handler 進(jìn)入后，需要首先進(jìn)行相關(guān)硬件的初始化操作，例如 初始化SDRAM、CPU speed、Interrupt Controller、UART、timer 等。

4. 建立每種異常狀態(tài)下的系統(tǒng)堆棧，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)可以只在 svc 態(tài) 和 irq 態(tài)下建立堆棧：setup_svc_stack，setup_irq_stack. 5. 強(qiáng)制 arm 處理器狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 svc 管理態(tài)。

6. 跳轉(zhuǎn)到mC/OS-II 代碼的 main 入口，實(shí)際上是編譯鏈接后產(chǎn)生的 __main 入口。

時(shí)鐘與中斷處理時(shí)鐘控制邏輯在圖1中，有4種和系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)寄存器，它們的含義如下：● OSCR： 一個(gè)自動(dòng)遞增計(jì)數(shù)的 32 位計(jì)數(shù)器。

● OSMR3-0： 4 個(gè) 32 位的匹配寄存器，當(dāng) OSCR 的值匹配時(shí)產(chǎn)生中斷。

● OSSR： 狀態(tài)寄存器，當(dāng) OSCR 和 OSMR 匹配時(shí)，會(huì)對(duì) OSSR 做標(biāo)志。

● OIER： 使能寄存器，表示當(dāng)匹配發(fā)生時(shí)，允許在 OSSR 設(shè)置一個(gè)標(biāo)識(shí)位。

OSCR 在自動(dòng)累加的過(guò)程中，與OSMR里面設(shè)定的那些匹配寄存器進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)有匹配的事件時(shí)，就會(huì)對(duì) OSSR 中的相應(yīng)位置設(shè)一個(gè)標(biāo)志位“1”，表示OSCR與對(duì)應(yīng)的OSMR 發(fā)生了匹配。當(dāng)然這個(gè)匹配發(fā)生的前提是發(fā)生匹配的那個(gè)OSMR在OIER中的相應(yīng)位被使能，否則OSMR中的設(shè)置將不起作用。

系統(tǒng)時(shí)鐘初始化流程mC/OS-II 中創(chuàng)建的第一個(gè)任務(wù)將負(fù)責(zé)啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)鐘的初始化設(shè)置流程如下：1) 設(shè)置 OSMR0 = x ，表示 初始化 OSMR0，即當(dāng)計(jì)數(shù)器為x時(shí)發(fā)生匹配2) 設(shè)置 OSSR = 0xf ，表示 清除所有已經(jīng)發(fā)生的匹配，寫(xiě)“1”清除3) 設(shè)置 OIER = OIER_EO ，表示 使能 OSMR0 來(lái)產(chǎn)生匹配4) 設(shè)置 OSCR = 0 ，表示 初始化計(jì)數(shù)器的開(kāi)始值 為 0系統(tǒng)時(shí)鐘中斷復(fù)位1) 清除 OSSR 中的相應(yīng)位，即向發(fā)生匹配的OSMR的那個(gè)對(duì)應(yīng)位寫(xiě)“1”

2) 設(shè)置 OSCR = 0 ，表示 繼續(xù)初始化計(jì)數(shù)器的值為 0中斷控制器相關(guān)的寄存器● ICPR： 中斷標(biāo)示寄存器，表示了當(dāng)前系統(tǒng)正處于激活狀態(tài)的中斷源。

● ICMR： 中斷屏蔽寄存器，用來(lái)屏蔽相應(yīng)位的中斷。

● ICLR： 中斷級(jí)別設(shè)置寄存器，設(shè)定報(bào)告中斷的級(jí)別是 IRQ 或者是 FIQ .● ICIP： IRQ 級(jí)別的中斷源寄存器，用來(lái)標(biāo)識(shí) IRQ 中斷發(fā)生的源設(shè)備。

● ICFP： FIQ 級(jí)別的中斷源寄存器，用來(lái)標(biāo)識(shí) FIQ 中斷發(fā)生的源設(shè)備。

中斷控制器初始化流程1) 設(shè)置 ICMR 屏蔽位為不屏蔽時(shí)鐘中斷 OSMR0 (相應(yīng)位寫(xiě)“1”)

2) 設(shè)置 ICLR 為都報(bào)告為 IRQ 級(jí)別(所有位寫(xiě)“0”)

移植工作總結(jié)難點(diǎn)分析移植mC/OS-II 到 StrongARM 的芯片上，基本上和移植到 ARM7 的芯片例如S3C4510，AT91x等工作類(lèi)似，因?yàn)樗械腁RM處理器都共享arm通用的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，這使得移植工作變得相對(duì)簡(jiǎn)單，其中絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.S 文件的移植，這個(gè)文件的實(shí)現(xiàn)集中體現(xiàn)了所要移植到處理器的體系結(jié)構(gòu)和mC/OS-II 的移植原理;在這個(gè)文件里，最困難的工作主要是在 OSIntCtxSw 和 OSTickISR 這兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)上。因?yàn)樗鼈兊膶?shí)現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關(guān)硬件定時(shí)器、中斷寄存器的設(shè)置有關(guān)。在實(shí)際的移植工作中，這兩個(gè)地方也是比較容易出錯(cuò)的地方。

OSIntCtxSw 最重要的作用就是它完成了在中斷ISR中直接進(jìn)行任務(wù)切換，從而提高了實(shí)時(shí)響應(yīng)的速度。它發(fā)生的時(shí)機(jī)是在 ISR 執(zhí)行到 OSIntExit 時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因?yàn)榈却?time tick 到來(lái)獲得了執(zhí)行的條件，這樣就可以馬上被調(diào)度執(zhí)行，而不用返回被中斷的那個(gè)任務(wù)之后再進(jìn)行任務(wù)切換，因?yàn)槟菢拥脑捑筒粔驅(qū)崟r(shí)了。

實(shí)現(xiàn) OSIntCtxSw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過(guò)調(diào)整 sp 堆棧指針的方法，根據(jù)所用的編譯器對(duì)于函數(shù)嵌套的處理，通過(guò)精確計(jì)算出所需要調(diào)整的 sp 位置來(lái)使得進(jìn)入中斷時(shí)所作的保存現(xiàn)場(chǎng)的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數(shù)嵌套內(nèi)部發(fā)生任務(wù)切換，使得高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠最快的被調(diào)度執(zhí)行。但是這個(gè)辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數(shù)的設(shè)置相關(guān)，需要較多技巧。

另一種是設(shè)置需要切換標(biāo)志位的方法，在 OSIntCtxSw 里面不發(fā)生切換，而是設(shè)置一個(gè)需要切換的標(biāo)志，等函數(shù)嵌套從進(jìn)入OSIntExit => OS_ENTER_CRITICAL() => OSIntCtxSw() => OS_EXIT_CRITICAL() => OSIntExit退出后，再根據(jù)標(biāo)志位來(lái)判斷是否需要進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計(jì)算，但是從實(shí)時(shí)響應(yīng)上不是最快，不過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。

在中斷態(tài)下進(jìn)行任務(wù)切換，需要特別說(shuō)明的一個(gè)問(wèn)題是如何獲得被中斷任務(wù)的 lr_svc .因?yàn)檫M(jìn)入中斷態(tài)后，lr 變成了lr_irq ，原來(lái)任務(wù)的 lr_svc 無(wú)法在中斷態(tài)下獲得，這樣要得到lr_svc，就必須在中斷 ISR 里面進(jìn)行一次cpu mode強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，即對(duì)CPSR賦值為0x000000d3，只有返回到svc態(tài)之后才能得到 原來(lái)任務(wù)的lr，這個(gè)對(duì)于任務(wù)切換很重要。還有一個(gè)需要留意的問(wèn)題是在強(qiáng)制CPSR變成svc態(tài)之后，SPSR 也會(huì)相應(yīng)地變成 SPSR_irq，這樣就需要在強(qiáng)制轉(zhuǎn)變之前保存 SPSR ，也就是被中斷任務(wù)中斷前的 CPSR .移植中使用的編程技巧ADS 編譯器在編譯 C 語(yǔ)言的程序時(shí)，如果程序中使用了 main 函數(shù)，則編譯器將自動(dòng)添加如下代碼，完成初始化堆棧和C庫(kù)等工作，工作流程如下：1> 將執(zhí)行文件中的 RO 段和 RW 段從 load address 復(fù)制到 execution address 2> 初始化 ZI 區(qū)域，用 0 來(lái)初始化變量3> 跳轉(zhuǎn)到 __rt_entry 執(zhí)行如下 4 個(gè)調(diào)用3.1> 調(diào)用 __rt_statckheap_init ，建立程序的堆和棧3.2> 調(diào)用 __rt_lib_init ，初始化程序用到的 C 庫(kù)，并為 main 傳遞參數(shù)3.3> 調(diào)用 main ，即用戶(hù)程序的入口3.4> 調(diào)用 exit因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)位后，在啟動(dòng)代碼中已經(jīng)設(shè)置了系統(tǒng)堆棧，同時(shí)也不需要使用C庫(kù)，因此可以從 __rt_entry 處直接跳轉(zhuǎn)到mC/OS-II 的代碼中，即直接執(zhí)行 main 函數(shù)，可以用新的 __rt_entry 來(lái)作為鏈接的目標(biāo)入口。