μC/OS-II系統(tǒng)的移植分析與應(yīng)用

西安翻譯學(xué)院 湯宏萍 薛根福

1.引言

嵌入式系統(tǒng)[1]主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。嵌入式操作系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的核心組成部分，必須具備良好的可移植性才能滿足嵌入式系統(tǒng)的多樣化需求。μC/OSII[1]是用ANSI的C語言編寫的，它是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核操作系統(tǒng)。至今，從8位到64位，μC/OS-II已經(jīng)在各種不同架構(gòu)的微處理器上運行，目前市場上已經(jīng)有許多應(yīng)用μC/OS-II的嵌入式產(chǎn)品，因此研究μC/OS-III操作系統(tǒng)及其移植技術(shù)很有價值。文章首先對μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植可行性進行分析，然后結(jié)合基于ARM體系LPC2294處理器的EASYARM開發(fā)板闡述了μC/OS-II系統(tǒng)移植的一般過程，最后對μC/OS-II系統(tǒng)的移植進行了測試。

2. C/OS-II操作系統(tǒng)移植的可行性分析

2.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)移植的條件

要使μC/OS-II正常運行，處理器必須需滿足以下要求[2]：

①處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；

②用C語言可以開/關(guān)中斷；

③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時中斷；

④處理器能夠支持容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲到堆棧或內(nèi)存中的指令。

在采用μC/OS-II系統(tǒng)的移植中，作者采用ARM LPC2294[3]微控制器，該微控制器可以滿足上述②、④、⑤條件，而ADS1.2的C編譯器可以滿足①、③的要求。

2.2 μC/OS-II操作系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)是移植的基礎(chǔ)

所謂移植[2]，就是使一個實時內(nèi)核能在微處理器或微控制器上運行。在設(shè)計之初，μC/OS-II就考慮到嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的多樣性和操作系統(tǒng)的可移植性問題，大部分代碼采用C語言開發(fā)，只有部分與處理器硬件相關(guān)的代碼采用匯編語言編寫，而且整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將不同功能的軟件分成不同的組件，分別位于系統(tǒng)的不同層次。這種可復(fù)用的層次結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)μC/OS-II可配置性、可移植性、兼容性以及可擴展性的基礎(chǔ)，μC/OS-II系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

在圖1中，包含以下三個部分：

核心部分：該部分代碼與處理器的類型無關(guān)，包含了1個頭文件和7個用C語言編寫的源文件。主要功能是內(nèi)核管理、事件管理、消息隊列管理、存儲管理、消息管理、信號量處理、任務(wù)調(diào)度和定時管理。

配置文件部分：主要功能是配置事件控制塊數(shù)目和是否包含消息管理的相關(guān)代碼。

移植代碼部分：這部分是與處理器相關(guān)的代碼，包含一個頭文件、一個匯編源碼文件和一個C源碼文件。

3. C/OS-II操作系統(tǒng)移植應(yīng)用

3.1 μC/OS-II移植的硬件資源

在移植系統(tǒng)之前，首先必須了解目標系統(tǒng)的硬件資源，根據(jù)目標系統(tǒng)特定的硬件資源完成系統(tǒng)移植。應(yīng)用中的目標系統(tǒng)采用EASYARM2200開發(fā)板，它屬于ARM體系結(jié)構(gòu)，主要硬件資源如下：

處理器：ARM體系16/32位嵌入式處理器LPC2294；

內(nèi)存：16KB RAM，256KB Flash；

外圍設(shè)備控制器：CAN口、RS-232串行口、以太網(wǎng)控制器RTL8019；

調(diào)試接口：ARM-ICE JTAG。

3.2 移植具體步驟

與處理器相關(guān)代碼是移植過程中最關(guān)鍵的部分，內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層硬件有機的結(jié)合成一個實時系統(tǒng)。要使同一個內(nèi)核能適用于不同的硬件體系，就需要在內(nèi)核和硬件之間有一個中間層，這就是與處理器相關(guān)的代碼，處理器不同，這部分代碼也不同。在μC/OS-II中，這部分代碼分成3個文件：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU.C。

(1)OS＿CPU.H包括用＃define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。依據(jù)LPC2294所支持的數(shù)據(jù)類型定義相關(guān)常量，定義棧增長的方向為1，即從高地址往低地址遞減生長；開關(guān)中斷這里采用的是定義的函數(shù)OS＿ENTER＿CRITICAL()和OS＿EXIT＿CRITICAL()；定義用系統(tǒng)的軟中斷OS-TASKSW()進行任務(wù)切換。

(2)OS＿CPU＿A.ASM這部分需要對處理器的寄存器進行操作，所以必須由匯編語言來編寫，主要編寫4個函數(shù)OSStartHighRdy(0，OSCtxSw()，OSIntCtxSw(0，OSTickISR()。

OSStartHighRdy()功能：通過設(shè)置系統(tǒng)運行標志位OSRunning＝TRUE，將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針裝載到SP中，并強制中斷返回。

OSCtxSw()功能：通過先前在OS＿CPU.H中定義的軟中斷指令進行任務(wù)級切換。中斷服務(wù)子程序、陷阱、異常處理的向量地址必須指向OSCtxSw()

圖1 C/OS-II系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)

OSIntCtxSw()功能：實現(xiàn)中斷級任務(wù)切換。與OSCtxSw()函數(shù)類似，只是少了一些保存某些寄存器的工作。

OSTickISR()是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)。這是一個周期性中斷，為內(nèi)核提供時鐘節(jié)拍，頻率越高，負擔越重。必須是在調(diào)用OSStart()之后啟動時鐘節(jié)拍中斷。

(3)OS＿CPU.C這部分定義了6個函數(shù)。其中最重要的是OSTaskStkInit()，它是用戶建立任務(wù)時系統(tǒng)內(nèi)部自己調(diào)用的，對用戶任務(wù)的堆棧進行初始化，使建立好的進入就緒態(tài)任務(wù)的堆棧與系統(tǒng)發(fā)生中斷并且與環(huán)境變量保存完畢時的堆棧結(jié)構(gòu)一致。其余函數(shù)必須聲明，但可以不包含任何代碼，這些函數(shù)可以作為內(nèi)核函數(shù)的補充。為了使程序執(zhí)行效率高，在本次移植中OSTaskStkInit()是用匯編編寫的。

4.測試移植代碼[2]

完成將μC/OS-II移植到處理器上后，下一步工作就是驗證移植后μC/OS-II操作系統(tǒng)是否正常工作，這也是移植中最復(fù)雜的一步。測試分為2種情況：首先不加任何應(yīng)用代碼來測試移植好μC/OS-II，即首先測試內(nèi)核自身的運行狀況。這樣做有兩個好處：首先，用戶不希望將事情復(fù)雜化；其次，如果有些部分沒有正常工作，可以明白是移植本身的問題，而不是應(yīng)用代碼產(chǎn)生的問題。如果已經(jīng)將2個基本的任務(wù)和節(jié)拍中斷運行起來，那么接下來的添加應(yīng)用任務(wù)是非常簡單的。其次是建立基于信號量進行通信的幾個任務(wù)，在此基礎(chǔ)上驗證內(nèi)核的多任務(wù)調(diào)度是否正確，從而驗證系統(tǒng)移植成功與否。本文通過4個步驟測試移植代碼：

(1)確保C編譯器、匯編編譯器及鏈接器正常工作

當修改完需要根據(jù)CPU更改的文件后，緊接著要把這些文件和μC/OS-II中與處理器無關(guān)的文件一同編譯和鏈接。顯然，這個步驟取決于使用的編譯器。測試需要用到3個文件：TEST.C、INCLUDES.H、OS-CFG.H。TEST.C程序如下：

(2)驗證OSTaskStkInit()和OSStart-HighRdy()函數(shù)

首先，修改OS-CFG.H，設(shè)置OS-TASKSTAT-EN為0，以禁止統(tǒng)計任務(wù)。在TEST.C里并沒有添加任何應(yīng)用任務(wù)，所以惟一的任務(wù)是UC/OS-II的空閑任務(wù)OS-TaskIdle()。一直單步執(zhí)行，直到UC/OS-II運行到調(diào)用OSStartHighRdy()。這時，編譯器應(yīng)該切換到匯編模式下，因為OSStartHighRdy()是用匯編語言實現(xiàn)的。OSStartHighRdy()會開始運行第一個任務(wù)；而此時并沒有任何應(yīng)用任務(wù)，只有OS-TaskIdle()可以運行。繼續(xù)單步執(zhí)行，同時檢查是否出錯。實際上，OSStartHighRdy()會將OSTaskStkInit()推入堆棧的CPU寄存器，并按照相反的方向順序彈出。如果這一點不正確，堆棧指針就會出錯。這時應(yīng)該校正OSTaskStkInit()函數(shù)。OSStartHighRdy()的最后一條語句會從中斷中返回。一旦執(zhí)行這條語句，調(diào)試器就應(yīng)該指向OS-TaskIdle()的第一條指令。如果這一步?jīng)]有發(fā)生，那么可能是因為沒有將正確的任務(wù)起始指針放在任務(wù)堆棧中，這時也需要修改OSTaskStkInit()函數(shù)。如果調(diào)試器在OSTaskStkInit()的循環(huán)中執(zhí)行，且在無限循環(huán)中已經(jīng)執(zhí)行幾次，那么就驗證了OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()是正確的。

(3)驗證OSCtxSw()函數(shù)

在這一步的測試中，添加了一個應(yīng)用程序，并不斷切換到空閑任務(wù)。

可以單步執(zhí)行進入OSTimeDly()函數(shù)。當調(diào)用OSTimeDly(1)時，會發(fā)生任務(wù)切換。如果OSTimeDly()代碼正確，LED會快速閃爍。

(4)驗證OSIntCtxSw()函數(shù)和OSTick-ISR()函數(shù)。

5.結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件集合體，而作為嵌入式系統(tǒng)的核心組件嵌入式操作系統(tǒng)必須具備良好的可移植性以適應(yīng)各種不同處理器體系結(jié)構(gòu)的嵌入式應(yīng)用需求。本文成功地將嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到了LPC2294上，并詳細闡述了μC/OS-II的系統(tǒng)移植的一般過程，為嵌入式開發(fā)者提供參考。

[1]唐恒娟等.eCos系統(tǒng)移植分析與應(yīng)用[J].微電子學(xué)與計算機,2006,23(3).

[2]Jean J.Labrosse.邵貝貝.嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003:72-115.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.