μC/OS-II在Cortex-M3系列單片機(jī)上的移植介紹

描述嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII在LM3S系列單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)移植的過程。介紹操作系統(tǒng)的移植原理和方法，以LM3S8962單片機(jī)為例給出部分移植函數(shù)的代碼，并通過一個(gè)實(shí)例的應(yīng)用驗(yàn)證移植的正確性。

關(guān)鍵詞? 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)? Cortex-M3? μC/OS-II移植? LM3S8962

引言

　　μC/OSII是一種簡單高效、源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的擴(kuò)展性和可移植性，被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式處理器上；對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少開發(fā)周期和降低成本有著重要的意義。本文以μC/OSII為移植對象，以ARM CortexM3內(nèi)核微處理器為移植目標(biāo)來討論其移植過程及應(yīng)用。

1? μC/OSII及ARM CortexM3簡介

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII是一個(gè)基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核，程序可讀性強(qiáng)，移植性好，代碼固定，可裁剪，非常靈活。至今，從8位到64位，μC/OSII已在超過40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。μC/OSII的主要特點(diǎn)有：是優(yōu)先級可剝奪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)；可處理和調(diào)度56個(gè)用戶任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級可以動態(tài)調(diào)整；提供任務(wù)間通信、同步使用的信號量、郵箱和消息隊(duì)列；具有良好的可裁剪性，可盡量減小系統(tǒng)的ROM和RAM大小。

　　ARM是目前嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的RISC微處理器結(jié)構(gòu)，它以低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。當(dāng)前ARM系列的處理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM 11等多個(gè)產(chǎn)品。CortexM3內(nèi)核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能處理器內(nèi)核，是ARM新型 V7 指令集結(jié)構(gòu)系列的微控制器版本，可用于企業(yè)應(yīng)用、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)等領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)是：

　?、?功耗低；
　?、?內(nèi)核的門數(shù)少，具有優(yōu)異的性價(jià)比；
　　③ 中斷延時(shí)短；
　　④ 調(diào)試成本低；
　?、?具有嵌套向量中斷控制器（NVIC），與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲的中斷處理；
　?、?具有可裁減的存儲器保護(hù)單元（MPU），用于對存儲器進(jìn)行保護(hù)。

2? 移植μC/OSII

　　Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含運(yùn)行在 50 MHz頻率下的ARM CortexM3 MCU內(nèi)核、嵌入式Flash和SRAM、1個(gè)低壓降的穩(wěn)壓器、集成的掉電復(fù)位和上電復(fù)位功能、模擬比較器、10位ADC、SSI、GPIO、看門狗和通用定時(shí)器、UART、I2C、運(yùn)動控制PWM以及正交編碼器（quadrature encoder）輸入，非常適合樓宇和家庭自動化、工廠自動化和控制、工控電源設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)、有刷和無刷DC馬達(dá)、AC感應(yīng)電動機(jī)等方面的應(yīng)用。

　　本移植在如下環(huán)境中完成：編譯工具采用IAR FOR ARM,目標(biāo)板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962開發(fā)板。主機(jī)通過LMLINK JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。
移植過程中,μC/OSII的核心源代碼不用修改,可以直接放在μC/OSII Source文件夾中。μC/OSII\\Ports目錄存放μC/OSII基于LM3S單片機(jī)的移植代碼，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三個(gè)必要的文件。Target目錄中的Startup.S文件是單片機(jī)的啟動代碼和中斷向量表，Target.C和Target.H提供單片機(jī)初始化函數(shù)TargetInit( )和其他簡單的外設(shè)控制API函數(shù)。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　將μC/OSII移植到ARM處理器上需要修改3個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件： OS_CPU .H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分別介紹這3個(gè)文件的移植工作。

圖1

（1） OS_CPU.H文件

　　包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定義類型等。

　?、?OS_CPU.H定義的數(shù)據(jù)類型。在這次移植中μC/OSII重新定義了數(shù)據(jù)類型，如下所示：

　　typedefunsigned charBOOLEAN;
　　typedefunsigned charINT8U;
　　typedefsigned charINT8S;
　　typedefunsigned shortINT16U;
　　typedefsignedshortINT16S;
　　typedefunsigned intINT32U;
　　typedefsignedintINT32S;
　　typedeffloatFP32;
　　typedefdoubleFP64;
　　typedefunsigned intOS_STK;
　　typedefunsigned intOS_CPU_SR;

　?、?修改與ARM處理器相關(guān)的內(nèi)容。不同處理器的堆棧增長方向是不一樣的，ARM CortexM3的堆棧是從高地址往低地址增長的，OS_STK_GROWTH設(shè)為1，程
序如下：

　　#defineOS_STK_GROWTH1

（2） OS_CPU_C.C文件

　　在OS_CPU_C.C定義的C函數(shù)中，OSTaskStkInit( )函數(shù)與CPU相關(guān)，所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序如下（初始化任務(wù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)初始化任務(wù)使用的堆棧）：

　　OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK *ptos,INT16U opt) {
　　OS_STK *stk;
　　(void)opt;//防止編譯警告
　　stk=ptos;//裝載棧頂指針，即堆棧數(shù)組最后的地址模擬中斷發(fā)生的堆棧情況
　　*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR
　　*(stk) =(INT32U)task;//PC,任務(wù)入口
　　*(stk) =(INT32U)0xFFFFFFFEL;//R14(LR)
　　*(stk) =(INT32U)0x12121212L;//R12
　　*(stk) =(INT32U)0x03030303L;//R3
　　*(stk) =(INT32U)0x02020202L;//R2
　　*(stk) =(INT32U)0x01010101L;//R1
　　*(stk) =(INT32U)p_arg;//R0,輸入?yún)?shù)p_arg模擬任務(wù)進(jìn)程，保存其他寄存器到堆棧
　　*(stk) =(INT32U)0x11111111L;//R11
　　*(stk) =(INT32U)0x10101010L;//R10
　　*(stk) =(INT32U)0x09090909L;//R9
　　*(stk) =(INT32U)0x08080808L;//R8
　　*(stk) =(INT32U)0x07070707L;//R7
　　*(stk) =(INT32U)0x06060606L;//R6
　　*(stk) =(INT32U)0x05050505L;//R5
　　*(stk) =(INT32U)0x04040404L;//R4
　　return(stk);
}

（3） OS_CPU_A.ASM文件

　　μC/OSII的移植需要編寫5個(gè)簡單的匯編語言函數(shù)。

　　① OS_ENTER _CRITICAL( )： 關(guān)閉中斷源。
　?、?OS_EXIT_CRITICAL( )： 重開中斷源。
　　③ OSStartHighRdy( )： 運(yùn)行當(dāng)前優(yōu)先級最高的任務(wù)。
　?、?OSCtxSw( )： 一個(gè)任務(wù)放棄CPU使用權(quán)時(shí)調(diào)用。
　?、?OSIntCtxSw（）： 在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit( )中被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)中斷級任務(wù)切換。

　　因?yàn)長M3S單片機(jī)目前只支持8位中斷優(yōu)先級中的高3位，所以這里把1左移5位即是00100000B,其宏定義為OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。

　　ARM CortexM3使用OSPendSV( )函數(shù)快捷地進(jìn)行上下文切換。OSPendSV( )的C語言表述程序如下：

OSPendSV：關(guān)中斷；
　　if(PSP !=NULL) {
　　　　保存R4～R11到任務(wù)堆棧SP_process;
　　　　OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;
　　}
　　OSTaskSwHook( );
　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
　　PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;
　　從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)R4~R11;
　　恢復(fù)中斷；
　　異常返回；

　　完成上述工作后，只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際情況編寫Target目錄中的3個(gè)文件，μC/OSII就可以運(yùn)行在LM3S8962單片機(jī)上了。

3? 實(shí)際應(yīng)用

　　移植工作完成后，編寫了一段程序，可以進(jìn)行CAN通信，按鍵控制LED燈，通過RS232串口與主機(jī)相連實(shí)現(xiàn)對SD卡的讀寫等操作。下面是程序的部分代碼：

staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任務(wù)堆棧*/
staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*啟動任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按鍵任務(wù)的堆棧*/
static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任務(wù)的堆棧*/
OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收數(shù)據(jù)郵箱*/
OS_EVENT *DispSem;/*按鍵信號量 */
OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信號量*/

　　在Main.H中定義任務(wù)優(yōu)先級為：

#defineTASK_START_PRIO0
#defineTASK_CARD_PRIO1
#defineTASK_LED_PRIO2
#defineTASK_KEY_PRIO3
#defineTASK_CAN_PRIO4

　　其中創(chuàng)建任務(wù)的任務(wù)代碼為：

static void taskStart (void*parg) {
　　(void)parg;
　　DispSem = OSSemCreate(1);
　　DispSem1 = OSSemCreate(0);
　　targetInit();/*初始化目標(biāo)單片機(jī)*/
　　#if OS_TASK_STAT_EN > 0
　　OSStatInit();/*使能統(tǒng)計(jì)功能*/
　　#endif
　　/*在這里創(chuàng)建其他任務(wù)*/
　　OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE? 1], TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任務(wù)*/
　　OSTaskCreate ( Task_Card,/*創(chuàng)建SD卡操作任務(wù)*/
　　　　(void *)0,
　　　　&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_CARD_PRIO );
　　OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*創(chuàng)建按鍵操作任務(wù)*/
　　　　&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_KEY_PRIO);
　　OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*創(chuàng)建CAN操作任務(wù) */
　　　　&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_CAN_PRIO);
　　while (1) {
　　　　OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*啟動任務(wù)可在這里掛起*/
　　}
}
　　SDExample為方便觀察SD卡操作任務(wù)編寫的GUI界面，選好與程序?qū)?yīng)的串口波特率，連接好硬件。從圖2可以看到，對SD卡可以進(jìn)行成功操作。

圖2

結(jié)語

　　μC/OSII作為一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已經(jīng)被移植到各種體系結(jié)構(gòu)的微處理器上。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其在LM3S8962上的成功移植，并通過一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了移植的正確性。本次移植只是做了一些基礎(chǔ)性工作，在此基礎(chǔ)上還可進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，充分利用LM3S系列單片機(jī)的性能和μC/OSII的特點(diǎn)，在檢測與維修領(lǐng)域發(fā)揮一定作用。