實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在MCF5272上的移植

摘要：介紹了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的特點和內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并首次實現(xiàn)μC/OS-II在Motorola嵌入式處理器MCF5272上的移值。 關(guān)鍵詞：μC/OS-II MCF5272 移植 GNU工具鏈 作為一個實時內(nèi)核，μC/OS從1992年開始為人們熟悉，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為μC/OS-II。ΜC/OS-II最多支持56個任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，并支持Semaphore（信號量）、Mailbox（郵箱）、Message Queue(消息隊列)等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是，μC/OS-II公開所有的源代碼，并可以免費獲得，對商業(yè)應(yīng)用收取少量License費用。一般商用操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS、WinCE，購買費用動輒數(shù)萬美元，而且每件產(chǎn)品都需要交納運行費，開發(fā)、使用成本高昂。 目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire處理器，采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時鐘下能夠達到63Dhrystone2.1MIPS。其內(nèi)部SIM（System Integrated Module）單元集成了豐富的通用模塊，如10/100MHz快速以太網(wǎng)控制器，USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設(shè)備（如SDRAM、ISDN收發(fā)器）實現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路設(shè)計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。 使用GNU工具鏈（包括交叉編譯器GCC、匯編器AS等）進行μC/OS-II內(nèi)核的編譯，Host（宿主機）環(huán)境為16MB SDRAM。在宿主機上編譯出MCF5272處理器的可執(zhí)行代碼，通過MCF5272的BDM調(diào)試工具下載到目標板調(diào)試運行。 1 μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務(wù)都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。μC/OS-II處理器無關(guān)的代碼提供μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。 大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求： （1）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼； （2）可以使用C調(diào)用進入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼)； （3）處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源； （4）處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧； （5）處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。 移值μC/OS-II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP的編寫。 2 μC/OS-II DSP編寫 BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。 為μC/OS-II編寫一個簡單的BSP。它首先設(shè)置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調(diào)用環(huán)境；然后可以方便地使用C語言設(shè)置MCF5272片選地址（CS0～CS7）、GPIO以及SDRAM控制器，初始化串口（UART0）作為默認打印口，并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關(guān)例程和函數(shù)如dprintf()，以方便調(diào)試；在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。 MCF5272處理器將系統(tǒng)上電作為2號異常，因此需要在異常矢量表中相應(yīng)位置填寫第一條命令的物理地址，這可以在編譯時自動完成。該矢量表必須存放在CS0對應(yīng)的FLASH中供CPU上電時自動讀取。如： _vectors： //矢量表起始地址 .long 0x0,_start,_fault,_fault,… //初始化1K字節(jié)矢量表 …… _start: nop //第一條指令 move.w #0x2700,%sr //屏蔽所有中斷 move.1 #_vectors,%d0 move.c %d0,%VBR //#vectors->VBR move.1 #0x10000001,%d0 move.c %d0,%MBAR //SIM單元基地址0x10000000 move.1 #0x20000001,%a0 //SRAM起始地址0x20000000 move.c %a0,%RAMBAR0 //初始化內(nèi)部SRAM move.1 #0x20001001,%a7 //設(shè)置堆棧指針 …… jsr cpu_init //調(diào)用cpu_init初始化SIM單元 jsr ucos_start //啟動μC/OS-II …… 其中，cpu_init函數(shù)用于初始化CPU內(nèi)部SIM單元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化，不同生產(chǎn)商的SDRAM的初始化時序有一定差異。 BSP在完成片級和板級初始化后，還負責(zé)初始化程序自身，如將.data段的內(nèi)容從只讀的ROM復(fù)制到SDRAM中，建立運行時環(huán)境。以下是建立程序數(shù)據(jù)段的代碼： memcpy(%26;amp;_sdata,%26;amp;_etext,(%26;amp;_edata-%26;amp;_sdata))； //拷貝.data段 memset(%26;amp;_sbss,0,(%26;amp;_ebss - %26;amp;_sbss)); //將.bss段清零 還需要為μC/OS-II編寫4個簡單的匯編函數(shù)。在每個硬件時鐘到來后，μC/OS-II會在中斷服務(wù)例程中調(diào)用OSIntCtxSw（）進行任務(wù)調(diào)度；另外，當(dāng)某個任務(wù)因等待資源而被掛起時，沒有必要等到自己的時間片全都用完，可以自己主動放棄CPU，這可以通過調(diào)用一個任務(wù)級的任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSCtxSw()來實現(xiàn)。其中相對復(fù)雜的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR（）調(diào)用了OSIntExit（），OSIntExit（）又再次調(diào)用了OSIntCtxSw()，如果進行任務(wù)切換，那么兩次調(diào)用都不會返回，而不同的C編譯器、不同的編譯選項處理C調(diào)用時對堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw()是編譯器相關(guān)的。GCC在使用2～4級優(yōu)化時，在主調(diào)函數(shù)中會是一個jsr跳轉(zhuǎn)指令，而被調(diào)函數(shù)以linkw %fp,#

開始。這兩條指令都會影響堆棧指針。為了實現(xiàn)任務(wù)切換，必須重新調(diào)整堆棧指針以補償調(diào)用的影響。一個完整過程如下： OSIntCtxSw： adda.1 #16,%a7 //棧補償，GCC-O2->-04優(yōu)化 move.1 (OSTCBCur)，%a1 move.1 %a7,(%a1) //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP jsr OSTaskSwHook //調(diào)和Hook鉤子函數(shù) /*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/ move.1 (OSTCBHighRdy),%a1 move.1 %a1,(OSTCBCur) move.b (OSPrioHighRdy),%d0 move.b %d0,(OSPrioCur) //OSPrioCur=OSPrioHighRdy move.1 (%a1),%a7 //SP=OSTCBCur->OSTCBStkPtr movem.1 (%a7),%d0-%d7/%a0-%a6 //恢復(fù)CPU寄存器，切換到新任務(wù) lea 60(%a7),%a7 rte 篇幅所限，其它三個函數(shù)就不述了。 3 μC/OS-II任務(wù)堆棧初始化 μC/OS-II中每個任務(wù)都有自己的任務(wù)堆棧，在任務(wù)創(chuàng)建初期由OSTaskStkInit（）初始化。初始化堆棧的目的就是模擬一次中斷。任務(wù)堆棧中保存了任務(wù)代碼的起始地址和一些CPU寄存器（初值是無關(guān)緊要的），這樣一旦條件滿足，就可以執(zhí)行該任務(wù)了。MCF5272在中斷發(fā)生時，會自動保存程序指針PC、狀態(tài)寄存器SR以及其它一些信息，為四字幀結(jié)構(gòu)。除此以外，%d0-%d7、%a0-%a6也必須按一定順序入棧。OSTaskStkInit()在完成堆棧初始化后，還要返回棧頂指針以用于該任務(wù)控制塊TCB結(jié)構(gòu)的初始化。該程序使用C語言編寫。 4 μC/OS-II系統(tǒng)時鐘 MCF5272處理器內(nèi)置了4個定時器，使用TIMER0產(chǎn)生周期10ms的定時中斷作為系統(tǒng)時鐘。當(dāng)PIVR寄存器設(shè)置為0x40時，TIMER0為69號中斷，在矢量表的相應(yīng)位置需填入時鐘服務(wù)程序OSTickISR()的入口地址，并初始化時鐘： volatile unsigned short*pTimer; pTimer=(unsigned short*)(0x10000000+0x200); //指向TIMER0 /*復(fù)位時鐘*/ *pTimer %26;amp;=0xFFF9; //定時器處于STOP狀態(tài) *pTimer=(*pTimer %26;amp; 0x00FF)|0xFA00;//預(yù)分頻=250 *pTimer |=0x0018; //計數(shù)滿自動清零，中斷方式 pTimer[2]=165; //Set TRR=165 *pTimer=(*pTimer %26;amp; 0xFFF9) |0x0004; //CLK=Master/16,啟動 上述程序段時鐘節(jié)拍的周期為：（1/66MHz）%26;#215;250%26;#215;164%26;#215;16=0.01秒。實時性要求高的場合可以使用更為精細的時鐘。TIMER0一旦完成初始化，就開始工作，但是要讓中斷發(fā)生，還必須設(shè)置ICR寄存器相應(yīng)字段給該中斷分配IPL（Interrupt Priority Level，中斷優(yōu)先級），并保證該中斷沒有初狀態(tài)寄存器SR屏蔽。 該時鐘初始化代碼可以放在第一個μC/OS-II任務(wù)中，在OSStart（）后執(zhí)行。一旦內(nèi)核可以進行正常的任務(wù)切換，移植工作也就基本完成了。 5 內(nèi)核編譯與下載 所有的C和匯編源文件經(jīng)過編譯、鏈接，最終形成一個二進制映像文件。由于μC/OS-II使用了自定義的數(shù)據(jù)類型，因此必須將其轉(zhuǎn)變成為GCC（GNU C Compiler）能識別的類型，如INT8U可以定義為unsigned char。另外，還必須編寫一個LD（鏈接腳本）文件控制編譯，將程序定位到實際的ROM和RAM資源中。為了調(diào)試方便，通常是通過BDM工具將內(nèi)核下載到目標板SDRAM中運行，調(diào)試通過后再固化到FLASH中。 RTOS是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用的特點。應(yīng)用RTOS，可以使產(chǎn)品更可靠、功能更強大而開發(fā)周期更短。μC/OS-II有著良好的實時性和很小的代碼量，并被廣泛移植到x86、68K、ColdFire、MPC 8xx、ARM、MIPS、C5409等許多處理器上。數(shù)百個成功的商業(yè)應(yīng)用實例說明μC/OS-II是一個穩(wěn)定可靠的內(nèi)核，因此將μC/OS-II移植到MCF5272具有很強的實用前景。

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