μC／OS－III在S12X架構(gòu)上的移植

曾昭明，宮輝

（1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.清華大學(xué) 飛思卡爾培訓(xùn)中心）

引 言

S12X架構(gòu)是飛思卡爾公司推出的16位CPU，占有一定的單片機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)。μC／OS－III是Micrium公司推出的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），它的前身——μC／OS－II，由于源碼公開(kāi)、實(shí)時(shí)性好、便于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，并被移植到了幾乎所有主流的CPU架構(gòu)上。但是到目前為止，μC／OS－III在S12X架構(gòu)上還沒(méi)有官方的移植版本。

μC／OS－III相比μC／OS－II作了很大的改進(jìn)，整個(gè)內(nèi)核基本被重寫(xiě)。任務(wù)的數(shù)量可無(wú)限多，只受限于系統(tǒng)存儲(chǔ)器的大??；由于支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可以相同；采用了延遲中斷處理機(jī)制（deferred post），中斷服務(wù)所要訪問(wèn)的全局變量數(shù)變得很少，使得大部分臨界代碼的保護(hù)只需要關(guān)閉調(diào)度器，而不需要關(guān)閉中斷，大大縮短了系統(tǒng)的中斷延遲；系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù)（tick handling）被移到了任務(wù)級(jí)執(zhí)行，進(jìn)一步縮短了中斷延遲；引入了時(shí)間戳的概念，用32位計(jì)數(shù)器為系統(tǒng)提供了精確的時(shí)標(biāo)，用來(lái)計(jì)算每個(gè)任務(wù)的CPU使用率、最長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間、最長(zhǎng)關(guān)調(diào)度器時(shí)間等；提供了獨(dú)特的、豐富的運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，為更好地應(yīng)用μC／OS－III提供了有力的基礎(chǔ)。更深入地了解μC／OS－III內(nèi)核，讀者可以參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。

總之，μC／OS－III是μC／OS－II的全面升級(jí)，具有更短的中斷延遲、更豐富的運(yùn)行時(shí)參數(shù)、更豐富的調(diào)試手段、更優(yōu)的代碼組織、更靈活的配置和使用等，但是，μC／OS－III對(duì)于硬件卻沒(méi)有更高的要求：對(duì)于ROM的需求，μC／OSIII為6～24KB，μC／OS－II為6～26KB；對(duì)于 RAM 的需求二者均為1KB左右，可見(jiàn)μC／OS－III同樣適合運(yùn)行在低端的8位、16位單片機(jī)上。由于繼承了μC／OS－II的優(yōu)點(diǎn)，μC／OS－III有了這么多新的優(yōu)秀特性，它應(yīng)該會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)地講述了μC／OS－III移植的方法和在S12X架構(gòu)上移植的具體步驟，希望能對(duì)在該方面有需求的讀者提供幫助。［4－5］

1 μC／OS－III的移植方法

如前所述，μC／OS－III對(duì)于硬件的要求并不比μC／OSII高多少。事實(shí)上，只要滿足如下幾條，μC／OS－III就能夠被移植到該平臺(tái)上［1］：

① 處理器帶有支持標(biāo)準(zhǔn)C的工具鏈，并且需要支持32位數(shù)據(jù)。

② 處理器支持中斷，并能夠提供10～1 000Hz的周期中斷作為系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍源。

③ 中斷能夠被關(guān)閉和打開(kāi)。

④ 處理器有棧指針寄存器，并且所有其他的寄存器能夠被存儲(chǔ)和恢復(fù)。

⑤ 處理器能夠支持足夠的尋址空間。

這幾個(gè)條件，現(xiàn)在的處理器架構(gòu)都能夠滿足，S12X顯然也滿足，所以μC／OS－III能夠移植到S12X架構(gòu)上。

μC／OS－III的代碼組織非常利于移植，代碼按照模塊分層次地組織在一起。移植時(shí)需要改動(dòng)的模塊和文件如表1所列。

表1 μC／OS－III移植時(shí)需要改動(dòng)的文件

2 μC／OS－III在S12X架構(gòu)上移植的步驟

2.1 第一步：建立合適的起點(diǎn)

移植之前找一個(gè)合適的起點(diǎn)非常必要。這包括選擇已經(jīng)移植好的可運(yùn)行的版本、工具鏈和開(kāi)發(fā)板。由于不存在飛思卡爾16位CPU的μC／OS－III的移植版本，這里選擇K60移植版本，該移植版本的IAR示例工程可以從Micrium官方網(wǎng)站下載。工具鏈選擇CodeWarrior Development Studio for S12（X）V5.1（以下簡(jiǎn)稱CW5.1），開(kāi)發(fā)板使用MC9S12XDP512的核心小板即可。K60的處理器基于Cortex－M4架構(gòu)，是32位CPU，與S12X16位處理器存在很大的差異，所以表1中所列的文件基本需要全部重寫(xiě)。

2.2 第二步：新建工程

打開(kāi)CW5.1，新建工程，選擇目標(biāo)為 MC9S12XDP512，調(diào)試方式為T(mén)BDML，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，選擇小存儲(chǔ)模式（small memory model），其余的選項(xiàng)按照默認(rèn)設(shè)置即可。MC9S12XDP512采用了分頁(yè)內(nèi)存機(jī)制，擴(kuò)展了16位CPU的64KB尋址空間，它擁有512KB的Flash，出于簡(jiǎn)單考慮，移植的過(guò)程中忽略這種分頁(yè)機(jī)制，即所謂的小存儲(chǔ)模式，只使用默認(rèn)的64KB的存儲(chǔ)空間。對(duì)于大多數(shù)的16位單片機(jī)應(yīng)用，這么大的存儲(chǔ)空間應(yīng)該夠用。μC／OS－III的設(shè)計(jì)并沒(méi)有固定代碼和數(shù)據(jù)的位置，也沒(méi)有固定中斷的設(shè)置方法，也沒(méi)有固定自己的啟動(dòng)代碼，將這些都交給了工具鏈或者用戶。μC／OS－III代碼的運(yùn)行開(kāi)始于main函數(shù)，對(duì)于之前的C語(yǔ)言環(huán)境初始化、硬件初始化沒(méi)有什么特殊的需求，對(duì)于自己的代碼和數(shù)據(jù)段的放置也沒(méi)有特別的要求，這應(yīng)該說(shuō)是一種靈活性。中斷設(shè)置，需要在前述的prm文件中加入如下幾行：

VECTOR 0＿Startup

VECTOR 7OS＿CPU＿SysTickHandler

VECTOR 4OSCtxSw

分別制定好用于任務(wù)切換的軟中斷和時(shí)鐘節(jié)拍的RTI中斷。

2.3 第三步：添加文件

打開(kāi)資源管理器，在工程目錄下新建表2所示目錄，并從官網(wǎng)上下載的IAR示例工程中拷貝相應(yīng)的文件。在CW5.1的工程中添加表2中新建的文件夾，并將上述拷貝的文件加入對(duì)應(yīng)的文件夾。接下來(lái)需要修改路徑設(shè)置：Edit－﹥Standard Setting－﹥ Target－﹥ Access Paths，勾選Always Search User Paths。這樣，添加文件的環(huán)節(jié)算是完成了。

表2 需要的新建目錄和添加文件

2.4 第四步：修改文件

這一步是移植的關(guān)鍵，按照表2的總結(jié)，一共需要修改8個(gè)文件，接下來(lái)逐個(gè)說(shuō)明。

（1）os＿cpu＿a.asm

該文件包含了OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw三個(gè)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換的代碼片段，將這3個(gè)片段定義到一個(gè)代碼段，比如codesection2段，具體就是在文件開(kāi)始處加上語(yǔ)句“codesection2：SECTION”即可。另外，μC／OS－III中這3個(gè)函數(shù)都是在臨界代碼段中訪問(wèn)，故不需要考慮共享變量的問(wèn)題。OSCtxSw的代碼如下：

該函數(shù)被設(shè)計(jì)成swi軟中斷的服務(wù)程序，所以1～2行代碼結(jié)合中斷響應(yīng)時(shí)的入棧操作完成了被換出任務(wù)的上下文的保存，3行調(diào)用介入函數(shù)，4～7行修改了記錄當(dāng)前任務(wù)TCB和優(yōu)先級(jí)的全局變量，8行將SP換成了換入任務(wù)的棧指針，9行執(zhí)行后CPU會(huì)裝載換入任務(wù)的上下文，從而完成了上下文切換。OSStartHighRdy和OSIntCtxSw的機(jī)制和OSCtxSw類(lèi)似，代碼分別如下：

應(yīng)該注意到，這3個(gè)函數(shù)的功能僅僅是保存換出任務(wù)的上下文和裝載換入任務(wù)的上下文，之所以這么簡(jiǎn)單，主要是因?yàn)镾12X的寄存器很少，中斷響應(yīng)和返回過(guò)程硬件都自動(dòng)完成了所有寄存器的保存和恢復(fù)。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了為什么需要借助中斷完成任務(wù)切換的一個(gè)原因：借助中斷機(jī)制，可以高效簡(jiǎn)潔地完成上下文切換。

（2）os＿cpu＿c.c

這個(gè)文件里面至少需要修改兩個(gè)函數(shù)，即任務(wù)棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit和時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)程序OS＿CPU＿SysTickHandler。遵照S12X中斷的棧結(jié)構(gòu)［2］，OSTaskStkInit實(shí)現(xiàn)如下：

從棧頂?shù)綏５滓来螢镃CR、D、X、Y、PC，按照S12X的C語(yǔ)言參數(shù)傳遞規(guī)則，任務(wù)函數(shù)的傳入?yún)?shù)被保存在了D寄存器對(duì)應(yīng)的棧位置。

時(shí)鐘節(jié)拍的服務(wù)子程序?yàn)椋?/p>

該宏保存被中斷任務(wù)的棧頂指針，在其TCB結(jié)構(gòu)中，之所以需要先遞增SP、保存SP、再遞減，是因?yàn)镃PU＿SR＿ALLOC（）宏定義了一個(gè)局部變量，該變量處在任務(wù)棧上，但是不屬于上下文的一部分。

如果在該移植版本上寫(xiě)中斷服務(wù)子程序，都需要寫(xiě)成上述格式，μC／OS－III才能夠正常運(yùn)行。另外，需要將OSTaskSwHook函數(shù)單獨(dú)定義在os＿cpu＿a.asm文件中所定義的那個(gè)段中，這只需在該函數(shù)頭尾加上如下語(yǔ)句［3］：

這是因?yàn)樵摵瘮?shù)被os＿cpu＿a.asm文件中的3個(gè)匯編函數(shù)以bsr指令調(diào)用，而bsr只能夠?qū)崿F(xiàn)－128～＋127范圍的相對(duì)轉(zhuǎn)移，故這里只需要將他們放在同一段，即可完成跳轉(zhuǎn)。

os＿cpu.h為頭文件，需要定義上述 OS＿SAVE＿SP（）宏，其他的可以不更改，也可以刪除那些沒(méi)有被定義的聲明（如原來(lái)的pendSV的服務(wù)子程），注意os＿cpu＿a.asm是完全重寫(xiě)，os＿cpu＿c.c只是修改上述兩個(gè)函數(shù)。

（3）cpu.h

編譯器無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型定義，可以參考Edit－﹥Standard Setting－﹥Compiler for HC12－﹥type sizes，默認(rèn)情況下char為8位，int和short為16位，long和long long為32位，該編譯器不支持64位。該處理器為大端模式、棧生長(zhǎng)方向?yàn)檫f減［2］，其余的設(shè)置都很容易改動(dòng)，這里不一一贅述。

（4）cpu＿a.asm

替代對(duì)應(yīng)的函數(shù)如下所示，其余的函數(shù)可以刪除（μC／OS－III沒(méi)有用到）：

這幾個(gè)函數(shù)完成相應(yīng)的使能中斷、關(guān)閉中斷、保存中斷狀態(tài)并關(guān)閉、恢復(fù)中斷狀態(tài)這4個(gè)功能，都比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。

cpu＿c.c文件中的函數(shù)其實(shí)都可以刪了，當(dāng)然也可以保留，因?yàn)檫@里面原來(lái)是一些關(guān)于中斷向量操作、位帶操作指令，這些都是特定于Cortex－M3的，S12X并沒(méi)有位操作的對(duì)應(yīng)指令。

最后是bsp.c和bsp.h，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，bsp.c只定義了如下函數(shù)：

這算得上是最簡(jiǎn)單的“bsp包”了，僅僅設(shè)置并使能了RTI中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘中斷（當(dāng)然還關(guān)閉了IRQ中斷）。該函數(shù)需要在第一個(gè)運(yùn)行的用戶任務(wù)中調(diào)用，開(kāi)始μC／OS－III的心跳。

至此，所有必要的文件修改工作已經(jīng)完成。

2.5 第五步：調(diào)試運(yùn)行

經(jīng)過(guò)上述步驟，如果編譯、鏈接沒(méi)有什么問(wèn)題，寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，借助調(diào)試器就可以對(duì)基于μC／OS－III的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)試了。其實(shí)在移植的過(guò)程中，第四步的很多細(xì)節(jié)都是在第五步的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并完善的。值得注意的是，由于MC9S12XDP512沒(méi)有32位的計(jì)數(shù)器，所以bsp.c里面也沒(méi)有初始化該計(jì)數(shù)器的代碼，也沒(méi)有提供系統(tǒng)所需的CPU＿TS＿TmrRd函數(shù)，所以以下幾個(gè)宏應(yīng)該配置如下：

＃define OS＿CFG＿TS＿EN 0u

＃define OS＿CFG＿SCHED＿LOCK＿TIME＿M(jìn)EAS＿EN 0u

不定義CPU＿CFG＿INT＿DIS＿M(jìn)EAS＿EN宏，在這種配置下，系統(tǒng)所有依賴于時(shí)間戳的功能都被關(guān)閉。其余的μC／OS－III組件都可以使能。

結(jié) 語(yǔ)

使用CW5.1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的讀者，只要按照以上步驟，即可在S12X系列單片機(jī)上完成μC／OS－III的移植和運(yùn)行。本文還融入了筆者對(duì)于μC／OS－III的理解，希望能夠幫助讀者理解和熟悉μC／OS－III的移植工作，進(jìn)一步加深對(duì)于該款優(yōu)秀實(shí)時(shí)內(nèi)核的理解。

［1］Jean J Labrosse.μC／OS－III the Real Time Kernel for the Freescale Kinetis ［EB／OL］.［2012－07－25］.http：／／micrium.com／page／downloads／os－iii＿projects.

［2］Freescale.MC9S12XDP512Data SheetV1，2012.

［3］Freescale.CodeWarriorV5.1HCS12（X）Compiler help file，2012.

［4］黃土琛.μC／OS－III對(duì)任務(wù)調(diào)度的改進(jìn)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（11）：78－81.

［5］宮輝.μC／OS－II到μC／OS－III的各種改進(jìn)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（10）：79－81.