μC／OS－III在Cortex－M3處理器上的移植

李承創，陳躍斌，房曉麗，王兵

（云南民族大學 電氣信息工程學院，昆明 650031）

引 言

μC／OS－III是一款基于優先級調度的搶占式實時內核，Micrium公司于2011年8月公開了μC／OS－III的源碼，其源碼遵循ANSI C標準，因而具有良好的移植性，相信其將會被移植到越來越多的處理器體系上。本文主要完成基于Cortex－M3處理器的μC／OS－III移植，通過本次移植，加深對嵌入式操作系統原理的理解。此外，在μC／OS－III移植成功的基礎上進行嵌入式應用程序開發，可以把主要精力集中到應用程序上，而硬件資源交由μC／OS－III管理，從而使得嵌入式應用程序更易開發和維護，在嵌入式軟硬件結構變得越來越復雜的今天具有現實意義。

1 μC／OS－III和Cortex－M3特點

相對以前的版本，μC／OS－III最大改進之處在于允許多個任務運行于同一優先級上，相同優先級的任務按時間片輪轉調度，內核對象的數量不受限制，以及接近于零的中斷禁用時鐘周期。

Cortex－M3是ARM公司推出的基于ARMv7－M架構的內核，主要針對高性能、低成本和低功耗的嵌入式應用。Cortex－M3擁有固定的存儲器映射，采用更高效的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）、更簡單的堆棧以及更高性能的指令集，且NVIC（包括SysTick）的寄存器位置固定，極大地方便了μC／OS－III的移植及在基于Cortex－M3內核的處理器之間的遷移。

2 移 植

2.1 移植方案

本文移植μC／OS－III內核的版本為 V3.02.00，其源代碼下載地址見參考文獻［4］。選用意法半導體（ST）公司生產的基于Cortex－M3內核的STM32F103RBT6微控制器作為硬件實驗平臺，而編譯環境采用RealView MDK V3.5。

Cortex－M3支持兩種特權級別：特權級和用戶級，μC／OS－III內核和用戶代碼都運行于特權級下。Cortex－M3還支持兩個棧指針 MSP和PSP，μC／OS－III內核和ISR（Interrupt Service Routine）使用 MSP，μC／OS－III的任務則使用PSP。

首先針對Cortex－M3處理器的特性編寫與內核、CPU和BSP（Board Support Package）相關的源代碼，然后創建若干個簡單的用戶任務，在具體的硬件平臺上測試移植后的μC／OS－III。

2.2 內核相關

2.2.1 編寫os＿cpu.h

os＿cpu.h頭文件主要是對上下文切換函數和時間戳獲取函數進行宏定義。μC／OS－III的上下文切換包括兩種類型：任務級上下文切換OS＿TASK＿SW（）和中斷級上下文切換OSIntCtxSw（）。它們使用相同的代碼置位ICSR.PENDSVSET以懸起PendSV異常，由PendSV的ISR“緩期執行”上下文切換。

OS＿TS＿GET（）的作用是獲取當前時間戳，若使能μC／OS－III的時間戳功能，則將 OS＿TS＿GET（）宏定義為CPU＿TS＿TmrRd（），否則簡單地宏定義為0。

2.2.2 編寫os＿cpu＿a.asm

在os＿cpu＿a.asm文件中需要用匯編指令實現OSStartHighRdy（）函數和PendSV的ISR。OSStartHighRdy（）函數被內核用于調度第一個最高優先級的就緒任務，以開始多任務運行環境，匯編代碼實現如下：

Cortex－M3支持PendSV異常，而PendSV異常的典型應用場合就是上下文切換。得益于Cortex－M3的中斷機制，μC／OS－III上下文切換只需保存和恢復 R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自動保存和恢復。PendSV的ISR匯編代碼如下：

2.2.3 編寫os＿cpu＿c.c

os＿cpu＿c.c文件包含了 OSTaskStkInit（）函數和若干鉤子函數。OSTaskStkInit（）函數的作用是在創建任務時初始化任務棧，并返回新的棧頂位置。μC／OS－III基于Cortex－M3的任務棧結構如圖1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五個寄存器應賦予正確的初值，而其他11個寄存器的初值無關重要。

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圖1 μC／OS－III基于Cortex－M3的任務棧結構

os＿cpu＿c.c文件中的鉤子函數是 μC／OS－III為了擴展用戶功能而定義的。進行μC／OS－III移植時至少需要定義 OSTaskSwHook（）、OSInitHook（）、OSTimeTick－Hook（）、OSIdleTaskHook（）、OSStatTaskHook（）、OSTa－skCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskReturnHook（）八個鉤子函數。為了簡單起見，本次移植不對鉤子函數作功能擴展。

2.3 CPU相關

2.3.1 編寫cpu.h

cpu.h頭文件主要包括對標準數據類型、字長、棧、臨界區的相關定義。標準數據類型與具體的編譯器相關，需要查閱相應的編譯器手冊。Cortex－M3字長是32位，則CPU＿DATA和CPU＿ADDR皆定義為CPU＿INT32U類型。Cortex－M3使用滿降序棧，棧增長方向應為從高地址到低地址。臨界區方法選用CPU＿CRITICAL＿METHOD＿STATUS＿LOCAL。

2.3.2 編寫cpu＿a.asm

cpu＿a.asm文件的最主要部分是臨界區函數的實現。根據所選用的臨界區方法，中斷使能函數CPU＿SR＿Save（）和中斷禁用函數CPU＿SR＿Restore（）代碼實現如下：

Cortex－M3的指令集提供了CLZ指令，則可選地使用匯編指令實現CPU＿CntLeadZeros（）函數，以加快μC／OSIII調度器查找最高優先級的就緒任務的速度，CPU＿CntLeadZeros（）函數匯編代碼實現如下：

2.4 BSP

Cortex－M3內核包含了一個SysTick定時器，可以用來給μC／OS－III提供系統時鐘節拍。SysTick初始化和ISR的源代碼實現分別如下：

μC／OS－III新增了時間戳功能，用于測量中斷禁用時長、代碼執行時長和確定事件發生時間等。時間戳定時器可以由DWT（Data Watchpoint and Trace）的時鐘周期計數器CYCCNT充當，該計數器是一個自由運行的32位遞增計數器，溢出時自動重載為0，周而復始。時間戳定時器初始化和讀取函數源代碼實現分別如下：

此外，本移植過程的BSP還涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函數和驅動程序。

3 測 試

首先不加任何用戶任務來測試移植好的μC／OS－III內核自身運行情況，待驗證內核正常運行之后，編寫TaskLed1、TaskLed2、TaskLed3、TaskProfile四個任務，其中前3個任務被賦予相同的優先級（本移植是假設使能了μC／OS－III的輪轉調度功能），實現對3盞LED燈不停地閃爍；而TaskProfile的功能是在液晶屏上顯示上下文切換次數。

運行結果如圖2所示。圖中3盞LED燈不停地閃爍，驗證了 μC／OS－III的相同優先級任務輪轉調度的特征；LCD上顯示CtxSwC－tr的值一直在增加，指示不斷發生上下文切換。系統連續穩定運行5個小時以上沒出現任何問題，可見本移植是成功的。

圖2 運行結果

結 語

本文主要論述了基于Cortex－M3內核處理器上μC／OS－III的移植過程并給出關鍵代碼，移植后的μC／OS－III能夠穩定運行于STM32F103RBT6處理器上。本移植能通用于大部分Cortex－M3內核的處理器，并對于將μC／OS－III移植到其他體系結構的處理器上具有參考價值。

［1］Matt Gordon.Micrium makesμC／OS－III source available［EB／OL］.［2011－11］.http：／／micrium.com／page／press＿room／news／id：65.

［2］Brian Nagel，Micrium.Advantages of the Cortex－M3［J］.Information Quarterly，2008，7（4）：27－32.

［3］ARM 中國.針對 ARM Cortex－M3平臺的代碼移植［J］.Information Quarterly，2007（6）：44－46.

［4］Micrium.DownloadμC／OS source code［EB／OL］.［2011－10－23］.http：／／micrium.com／page／downloads／source＿code.

［5］Joseph Yiu.The definitive guide to the ARM Cortex－M3［M］.2th ed.Burlington：Newnes，2010：127－129.

［6］方安平，蔡俊宇.Cortex－M3的異常處理機制研究［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009（2）：15－16.

［7］邵貝貝.淺談μC／OS任務調度算法的硬件實現［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010（9）：5－7.