嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在LPC1788上的移植及應(yīng)用

薛晴

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876）

μC/OS-II系統(tǒng)是一款源碼公開(kāi)的，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核操作系統(tǒng)，與其它實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如Vxworks，Linux和Windows CE等相比，它比較適用于小型控制系統(tǒng)，同時(shí)具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

LPC1788是恩智浦公司于2011年底推出的業(yè)界首款采用ARM?CortexTM-M3技術(shù)的微控制器，目前已批量上市。120 MHz的LPC178x系列擁有512 kB閃存、96 kB SRAM和4 kB EEPROM。32位外部存儲(chǔ)控制器支持SDRAM、NOR和SRAM器件，提供4種芯片選擇[2]。其先進(jìn)的低功耗工藝，特別適用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、安防、通訊系統(tǒng)，以及需要高速計(jì)算的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域。

由于該款微處理器上市時(shí)間較短，目前還沒(méi)有μC/OS-II操作系統(tǒng)應(yīng)用于該款微處理器的移植代碼。文中詳細(xì)探討了在IAR6.3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，如何在LPC1788處理器上移植μC/OS-II操作系統(tǒng)的過(guò)程與實(shí)現(xiàn)步驟，該移植與開(kāi)發(fā)過(guò)程已成功地在LPC1788目標(biāo)板上進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。

1 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1. μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1說(shuō)明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計(jì)成一個(gè)無(wú)限循環(huán)。μC/OS-II與處理器無(wú)關(guān)的代碼，提供了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(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信及創(chuàng)建、刪除任務(wù)。其中，μC/OS-II內(nèi)核最核心的作用就是對(duì)任務(wù)的管理。

圖1 μC/OS-II的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of μC/OS-II system

1.2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核基本工作原理

μC／OS—II的任務(wù)擁有自己的代碼和堆棧空間 （保存該任務(wù)的寄存器、返回地址和臨時(shí)參數(shù)），一般都是空函數(shù)，不會(huì)返回任何值。任務(wù)執(zhí)行一次后，設(shè)置延時(shí)參數(shù)OSTCBDly。表明在經(jīng)過(guò)OSTCBDly個(gè)時(shí)鐘周期后再次運(yùn)行，然后任務(wù)進(jìn)行切換.使其他任務(wù)運(yùn)行。

μC/OS-Ⅱ下的任務(wù)有 5種狀態(tài)：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待狀態(tài)、中斷服務(wù)態(tài)。調(diào)度就是決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了，從而使一就緒的任務(wù)切換到運(yùn)行態(tài)，這是內(nèi)核的主要職責(zé)之一。μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的：也就是讓處于就緒態(tài)、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。

2 μC/OS-Ⅱ在LPC1788上的移植

由圖 1可知，μC/OS-Ⅱ的接口文件是 OS_CPU.H，OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM，移植的主要任務(wù)是改寫(xiě)這3個(gè)文件的代碼，使μC/OS-Ⅱ能在LPC1788上正常運(yùn)行。移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

2.1 OS_CPU.H中的常量和宏定義

2.1 OS_CPU.H包括了用#defines定義的與處理器相關(guān)的常量，宏和類(lèi)型定義，堆棧寬度和增長(zhǎng)方式以及開(kāi)關(guān)中斷的宏定義[6]。

在IAR6.3環(huán)境下改寫(xiě)該文件時(shí)的幾點(diǎn)說(shuō)明：

1）由于Cortex-M3內(nèi)核堆棧支持從上往下的生長(zhǎng)方式，所以L1根據(jù)所選芯片LPC1788支持的類(lèi)型對(duì)宏OS_STK_GRWOTH進(jìn)行定義，

2）因LPC1788的狀態(tài)寄存器是32位寬，L2，L3定義的os_cpu_sr用于OS_CRITICAL_METHOD#3.中保存中斷狀態(tài)[3]。

3）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)。而OS_CPU_SR_Save（）和 OS_CPU_SR_Restore（cpu_sr）的代碼則在OS_CPU_A.asm文件中匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，稍候會(huì)詳細(xì)介紹。

4）任務(wù)級(jí)的切換是通過(guò)調(diào)用L6的宏OS_TASK_SW（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，OSCtxSw（）的具體代碼在 OS_CPU_A.asm中用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

2.2 OS_CPU_C.C中的用戶C語(yǔ)言函數(shù)

在OS_CPU_C.C中要求用戶編寫(xiě)8個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)：OSTaskStkInit （）、OSTaskCreateHook （）、OSTaskDelHook （）、OSTaskSwHook （）、OSTaskStatHook （）、OSTimeTickHook （）、OS_TaskStkIni （）、OS_CPU_SysTickInit （）、OS_CPU_SysTick Handler（），除三個(gè)必須的函數(shù) OS_TaskStkIni，OS_CPU_SysTickInit和OS_CPU_SysTickHandler外，其它的5個(gè)函數(shù)是鉤子函數(shù)，必須聲明但沒(méi)必要包含代碼。

1） OSTaskStkInit（）函數(shù)

定義任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkIni（）的具體程序及注釋如下所示：：

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，所以可以在OSStart（）運(yùn)行之后，μC/OS啟動(dòng)的第1個(gè)任務(wù)中調(diào)用OS_CPU_SysTickInit（）初始化節(jié)拍中斷。基于LPC1788移植下的時(shí)鐘初始化函數(shù)的OS_CPU_SysTickInit（）的代碼如下所示：OSIntExit（）；} /*告訴 uC/OS-II退出中斷服務(wù)程序*/當(dāng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)把CPU寄存器推人堆棧。當(dāng)某任務(wù)的任務(wù)控制塊中時(shí)間延時(shí)項(xiàng)OSTCBDly減到了零，OSTimtick（）就進(jìn)入了就緒態(tài)。 OSIntExit（）會(huì)調(diào)用中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw執(zhí)行任務(wù)切換，而不再執(zhí)行后面的指令。

2.3 OS_CPU_A.ASM中的用戶匯編語(yǔ)言函數(shù)

在OS_CPU_A.ASM中，因?yàn)镃語(yǔ)言不能直接存取寄存器，用戶在移植μC/OS-Ⅱ的時(shí)候，需要用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)5個(gè)函 數(shù) ： OS_CPU_SR_Save （）、OS_CPU_SR_Restore （）、OSStartHighRdy （）、OSCtxSw （）、OS_CPU_PendSVHandler （）。如下所示：

1） OS_CPU_SR_Save（）函數(shù)

OS_CPU_SR_Save（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)用R0保存中斷屏蔽寄存器PRIMASK的狀態(tài)值，該函數(shù)被OS_ENTER_CRITICAL（）宏調(diào)用[3]。

4） OSCtxSw（）函數(shù)

當(dāng)一個(gè)任務(wù)放棄對(duì)CPU的控制后，OSCtxSw（）就會(huì)被調(diào)用以實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，但對(duì)于ARM Cortex-M3來(lái)說(shuō)，所有的任務(wù)切換都是由PendSV中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以O(shè)SCtxSw（）只是簡(jiǎn)單觸發(fā)PendSV中斷，然后返回調(diào)用者。

OS_CPU_PendSVHandler（）負(fù)責(zé)處理 ARM Cortex-M3 所有的任務(wù)切換[3]，在該程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，CPU首先把xPSR、PC、LR、R12，R0-R3和R4-R11寄存器保存到任務(wù)堆棧，然后獲得最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧指針，將最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來(lái)，最后執(zhí)行中斷返回：

不同任務(wù)的切換會(huì)發(fā)生在停止當(dāng)前低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)轉(zhuǎn)而去執(zhí)行較高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的情形，這是由一個(gè)任務(wù)級(jí)切換函數(shù)OS_TASK_SW（）實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)通過(guò)調(diào)用 OSCtxSw（）函數(shù)觸 發(fā) PendSV中 斷 ，PendSV中 斷 服 務(wù) 程 序OS_CPU_PendSVHandler完成具體的任務(wù)切換操作。OS_CPU_PendSVHandler的編寫(xiě)實(shí)質(zhì)上是通過(guò)改變PC中的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，首先將當(dāng)前任務(wù)環(huán)境保存到相應(yīng)的任務(wù)堆棧中，同時(shí)將PC指向新任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行的地方，然后將新任務(wù)環(huán)境從堆棧中恢復(fù)到相應(yīng)的寄存器中，最后執(zhí)行中斷返回。在中斷返回時(shí)，Cortex-M3將從堆棧中恢復(fù)R3-R0，R12，LR，PC和xPSR寄存器，開(kāi)始運(yùn)行新任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。

3 應(yīng)用測(cè)試

文中使用LPC1788目標(biāo)板對(duì)上述移植進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，目標(biāo)板有四個(gè)按鍵和兩個(gè)LED，本測(cè)試建立了App_TaskStart（）、App_TaskKbd（）、App_TaskLed（）三個(gè)任務(wù)。 App_TaskStart（）負(fù)責(zé)硬件初始化及OS初始化，建立消息郵箱及另兩個(gè)任務(wù)，然后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)調(diào)用OSTimeDly（200）以實(shí)現(xiàn)延時(shí)和任務(wù)調(diào)度。App_TaskKbd（）負(fù)責(zé)查詢按鍵并通過(guò)消息郵箱將鍵值發(fā)送給任務(wù)App_TaskLed（），App_TaskLed（）根據(jù)鍵值改變LED的閃爍頻率。測(cè)試程序通過(guò)IAR6.3編譯，把生成的二進(jìn)制文件固化到LPC1788目標(biāo)板上，接通電源后可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地運(yùn)行，說(shuō)明在IAR6.3環(huán)境下基于LPC1788的μC/OS-II移植成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的文件結(jié)構(gòu)及基本工作原理，成功實(shí)現(xiàn)了其在LPC1788上的移植。文中相應(yīng)的源代碼不用作任何改變，直接復(fù)制到μC/OS-Ⅱ相應(yīng)文件中，可順利實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可以進(jìn)行ARM Cortex-M3微控制器LPC17xx系列的各種應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

[1]Jean J.Labrosse.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ [M].2版.邵貝貝，譯.北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2]NXP LPC178x/7x preliminary user manual，[EB.OL]2011.http：//www.nxp.com

[3]Micriμm μC/OS-II and ARM Cortex-M3 Processors Application Note（2011）http：//www.Micrium.com

[4]孫繼如，郭敏，張宇翔，等.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在LPC2378上的移植及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（12）：33-36.

SUN Ji-ru，GUO Min，ZHANG Yu-xiang，et al.Transplant and application of the embedded real-time OS μC/OS-Ⅱon LPC2378[J].Modern Electronics Technique，2010（12）：33-36.

[5]顧鳳玉，施國(guó)梁，楊濤.基于LPC2478的μC/OS-II的移植及多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（5）：1736-1739.GU Feng-yu，SHI Guo-liang，YANG Tao.On the porting of μC/OS-II to LPC2478 ARM processor and the implementation of multitasks[J].Computer Knowledge and Technology，2009（5）：1736-1739.

[6]韓明峰，李小濱，鄭永志.uC/OS-II內(nèi)核超時(shí)等待機(jī)制的分析與改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)工程， 2009，35（7）：259-266.

HAN Ming-feng，LI Xiao-bin，ZHENG Yong-zhi.Analysis and improvement of waiting-timeout mechanism in uC/OS-II Kernel[J].Computer Engineering，2009，35（7）：259-266.

[7]劉艷軍.基于C8051和μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床嵌入式執(zhí)行控制器實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（16）：63-65.

LIU Yan-jun.Realization of embedded actuator&Controller for CNC machine tool based on C8051 and μC/OS-Ⅱ[J].Modern Electronics Technique，2010（16）：63-65.

[8]汪獻(xiàn)忠，郭鳳華，田增國(guó).基于ARM和μC/OS-Ⅱ的在線磷酸根離子監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（19）：154-155，158.

WANG Xian-zhong，GUO Feng-hua，TIAN Zeng-guo.Design of phosphate ion online monitoring instrument based on ARM and μC/OS-Ⅱ[J].Modern Electronics Technique，2010（19）：154-155，158.