基于uC/OS的一種嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建

沙德鵬，彭 剛

（交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456）

所謂系統(tǒng)的移植就是通過修改系統(tǒng)內(nèi)核的原代碼，使其能夠在其它微處理器或控制器上運(yùn)行。uC/OS-ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時內(nèi)核，它是一個完整的、可移植、固化、裁剪的搶占式實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核。S3C2440是三星公司推出的高性能ARM9處理器，片上資源豐富，支持NorFlash和NandFlash兩種啟動方式，具備I-Cach、D-Cach以及MMU微處理器。將uC/OS-ⅱ移植到S3C2440上，能夠有效地管理其硬件資源，縮短程序的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)維護(hù)的難度。uC/OS-ⅱ在S3C2440上的移植主要包括初始化S3C2440、修改uC/OS-ⅱ的底層代碼兩部分。

1 初始化S3C2440

初始化即編寫啟動代碼，啟動代碼就是處理器在啟動時要執(zhí)行的一段代碼。其主要任務(wù)是初始化處理器模式、設(shè)置堆棧、初始化變量等。由于以上操作與處理器體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模式密切相關(guān)，所以啟動代碼都是由匯編語言編寫，不同的處理器，啟動代碼一般不同。S3C2440的啟動過程如圖1所示。

圖1 S3C2440啟動代碼Fig.1 S3C2440 start code

圖2 中斷響應(yīng)過程Fig.2 Interrupt the response process

1.1 設(shè)置系統(tǒng)異常中斷

正常的程序因為一些固定的原因而使CPU停止，我們稱之為異常。異常事件由CPU產(chǎn)生，不同的原因產(chǎn)生不同的異常。S3C2440共有7類異常。當(dāng)異常發(fā)生時，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前的指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行，在異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷指令的下一條指令處執(zhí)行[1]。

中斷向量表中指定了各異常中斷及其處理程序的對應(yīng)關(guān)系，它通常放在處理器地址的低端，在S3C2440中，異常中斷向量表的大小為32 B，其中每個異常中斷占據(jù)4 B的大小，共可容納8個異常中斷，包括一個保留中斷。在S3C2440的啟動代碼中，每個異常中斷對應(yīng)的中斷向量中存放了一個跳轉(zhuǎn)指令或者一個向PC寄存器復(fù)制的數(shù)據(jù)訪問指令。通過這條跳轉(zhuǎn)指令，系統(tǒng)將展開一個宏，引導(dǎo)程序跳轉(zhuǎn)到其中斷服務(wù)程序的入口處執(zhí)行中斷服務(wù)程序 （復(fù)位中斷除外）。如果發(fā)生的是復(fù)位中斷，系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的匯編代碼，其過程如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)的時鐘

S3C2440 CPU默認(rèn)的工作主頻為12 MHz或者16.9344 MHz，這里最常用的是12 MHz。使用PLL電路可以產(chǎn)生更高的主頻，供CPU及外圍電路使用。S3C2440有兩個PLL：MPLL和UPLL，UPLL專用于USB設(shè)備。MPLL用于CPU及其外圍設(shè)備。MPLL產(chǎn)生三部分時鐘頻率：FCLK、HCLK、PCLK。FCLK用于CPU核，HCLK用于AHB總線，PCLK用于APB總線。S3C2440鎖相環(huán)回路電路如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)電路Fig.3 Phase-locked loop circuit

欲使S3C2440的鎖相環(huán)電路正常工作，產(chǎn)生需要的時鐘信號，必須通過設(shè)置CLKDIVN寄存器的值來設(shè)置鎖相環(huán)P、M、S三個參數(shù)的值。同時還要通過設(shè)置LOCKTIME寄存的值確定鎖相環(huán)的鎖定時間[2]。FCLK的啟動過程：①上電幾毫秒以后晶振開始輸出穩(wěn)定信號，此時FCLK＝晶振頻率，單片機(jī)復(fù)位信號恢復(fù)高電平之后，CPU開始執(zhí)行指令；②設(shè)置完CLKDIVN之后，需要經(jīng)過一段時間MPLL才能穩(wěn)定輸出，這段時間由設(shè)定的LOCKTIME值來決定，在這段時間之內(nèi)（Lock Time）FCLK停止震蕩，CPU停止工作；③Lock Time之后，MPLL輸出穩(wěn)定，F(xiàn)CLK開始震蕩，S3C2440工作在新的FCLK之下，F(xiàn)CLK 的值與 P、M、S的關(guān)系如式（1）所示：

FCLK＝MPLL＝（（M+8）Fin）/（（P+2）+2S） （1）

系統(tǒng)確定FCLK之后，通過分頻獲得HCLK和PCLK。通過設(shè)置PLLCON寄存器中FDIVN、HDIVN和 PDIVN的值可以獲得 FCLK：HCLK：PCLK不同的比例關(guān)系。從而獲得不同的HCLK和PCLK。其比例關(guān)系如表1所示。

表1 HCLK和PCLK比例關(guān)系Tab.1 HCLK and PCLK ratio relationship

1.3 外存儲空間的初始化與堆棧的設(shè)置

S3C2440提供1 G的外存儲空間，共分為8個塊兒（bank），每個塊兒的大小為128 M。8個塊中有6個ROM，2個RAM，前7個塊兒的起始地址固定，最后一個的起始地址可以調(diào)整，最后兩個塊兒的大小可編程，支持SDRAM的自刷新和掉電模式。系統(tǒng)上電后，外存儲空間不工作，欲使用外存儲空間必須初始化外存儲空間的控制寄存器。外存儲器的控制寄存器包括 BWSCON、BANKCON［0：7］、MRSRB6、MRSRB7，S3C2440的外存儲空間分布如圖4所示。

圖4 ARM外存儲空間示意Fig.4 ARM external storage space diagram

S3C2440共有7種工作模式，分別是User模式、FIQ 模式、IRQ 模式、Supervisor模式、Abort模式、Undefined模式和System模式。除了User模式和System模式共用同一堆棧外，其它各模式都有自己的堆棧，在進(jìn)入主函數(shù)前需要設(shè)置各堆棧的起始地址，設(shè)置堆棧的示意性代碼如下：

1.4 代碼的復(fù)制與搬運(yùn)

S3C2440的程序代碼經(jīng)過編譯和鏈接之后生成的bin文件稱之為鏡像文件，鏡像文件由RO段、RW段和ZI段三部分組成。鏡像文件存儲在ROM中，ROM中存儲鏡像文件的區(qū)域稱為加載域，但是加載域只存儲RO段和RW段，不存儲ZI段，因為ZI段的數(shù)據(jù)全部為0。要得到S3C2440能夠運(yùn)行的程序必須將鏡像文件的RO段和RW段搬運(yùn)到連接器制定的區(qū)域，同時創(chuàng)建ZI段，這個區(qū)域稱為運(yùn)行域。ARM連接器在創(chuàng)建運(yùn)行域的同時還創(chuàng)建了5個符號，通過這5個符號可以計算出各個段的起始地址和結(jié)束地址。連接器創(chuàng)建的符號為∣Image$$RO$$Base∣、∣Image$$RO$$Limit∣、 ∣Image$$RW$$Base∣、∣Image$$ZI$$Base∣、∣Image$$ZI$$Limit∣，與各個段起始地址與結(jié)束地址的對應(yīng)關(guān)系如下[3]：

按照上述對應(yīng)關(guān)系將加載域中的鏡像文件搬運(yùn)到運(yùn)行域然后創(chuàng)建ZI段即可得到可以運(yùn)行的程序。

2 uC/OS-ⅱ的移植

uC/OS-ⅱ的大多數(shù)代碼用C語言編寫，與CPU無關(guān)，但是有3個文件與CPU有關(guān)針對不同的CPU文件的內(nèi)容部一樣。這3個文件分別是OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C； 要使得 uC/OS-ⅱ能夠在S3C2440上運(yùn)行，必須完成者3個文件的移植。

2.1 MMU重映射

AR9體系結(jié)構(gòu)中存在虛擬地址和物理地址，虛擬地址指的是程序要訪問的地址，物理地址指的是程序代碼存放的地址，同一個虛擬地址可以訪問到不同的物理地址，經(jīng)過代碼搬運(yùn)與復(fù)制之后，單片機(jī)的代碼位置發(fā)生了變化，但是中斷向量的位置是固定的，一旦有中斷發(fā)生，單片機(jī)的PC指針仍然指向原來的中斷向量地址，這樣會產(chǎn)生錯誤，導(dǎo)致程序不能正常運(yùn)行。要避免這種問題，必須進(jìn)行地址重映射，將存放中斷向量的首地址映射為0。在ARM的內(nèi)存中存有一張由4096個地址描述符組成的表，每一個地址描述符描述了1 M空間的映射關(guān)系，ARM在訪問虛擬地址的時候通過插敘與虛擬地址對應(yīng)的地址描述符來訪問，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 地址描述Fig.5 Address description

2.2 OS_CPU.H的移植

OS_CPU.H包括了用#define語句定義的與處理器相關(guān)的常數(shù)宏以及類型。OS_CPU.H的移植主要包括三部分內(nèi)容：與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、臨界段代碼的保護(hù)函數(shù)（OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（））、宏定義（OS_TASK_SW（））。

不同的處理器有不同的字長，所以uC/OS-ⅱ的移植包括了一系列數(shù)據(jù)類型的定義，以確保其可移植性，uC/OS-ⅱ不適用 C語言中的 short、int、 以及l(fā)ong等數(shù)據(jù)類型，因為它們是與編譯器相關(guān)的，是不可移植的。uC/OS-ⅱ在OS_CPU.H中定義了可移植的整形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在移植的過程中用戶需查閱文檔，找出對應(yīng)于uC/OS-ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型。

為了避免臨界段代碼免受多任務(wù)中斷服務(wù)子程序的破壞，uC/OS-ⅱ在進(jìn)入中斷之前先關(guān)中斷，然后進(jìn)入臨界段代碼，臨界段代碼執(zhí)行結(jié)束之后，uC/OS-ⅱ開中斷，不同的編譯廠商開關(guān)中斷的方式不一樣，為了隱藏編譯廠商提供的不同的方法，uC/OS-ⅱ定義了兩個宏：OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）。在移植過程中，需根據(jù)編譯器的特點(diǎn)完成這兩個宏的移植[4]。

OS_TASK_SW（）是OS_CPU.H中定義的宏，是uC/OS-ⅱ系統(tǒng)中定義的一個重要的宏，主要完成從低優(yōu)先級到高優(yōu)先級任務(wù)的切換，OS_TASK_SW（）主要是在任務(wù)級中被調(diào)用。必須用匯編語言實(shí)現(xiàn)，其流程如圖6所示。

圖6 OS_CPU.H移植流程Fig.6 Flow chart of OS_CPU.H porting

2.3 OS_CPU_C.C的移植

OS_CPU_C.C包含了uC/OS-ⅱ的10個簡單的函數(shù)，除OSTaskInit（）外，其余 9個只須聲明，但是可以不包含任何代碼。OSTaskInit用于初始化任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)，uC/OS-ⅱ的每個任務(wù)建立后都有一個棧，用于保存任務(wù)的現(xiàn)場，棧的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 匯編地址Fig.7 Assembled address

2.4 OS_CPU_A.ASM

OS_CPU_A.ASM中包含了4個匯編函數(shù)：OSSrartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw 以 及 OSTick-ISR（），這4個匯編函數(shù)與CPU硬件息息相關(guān)，在移植的過程之中必須用匯編語言實(shí)現(xiàn)。如果編譯器支持插入?yún)R編代碼就可以將所有與處理器相關(guān)的代碼放到OS_CPU_C.C中，而不必再有單獨(dú)的匯編語言文件。

OSCtxSw函數(shù)即為OSCtxSw（），在OS_CPU_C.C中宏定義 #define OSCtxSw（），OSCtxSw 將 OSCtxSw（）定義為宏，通過引用宏直接調(diào)用匯編函數(shù)OSCtxSw，OSIntCtxSw用于中斷級的任務(wù)調(diào)度，其作用類似于OSCtxSw，兩者的主要區(qū)別在于OSCtxSw用于任務(wù)級的任務(wù)切換，而OSIntCtxSw用于中斷級的任務(wù)切換，OSIntCtxSw的代碼實(shí)現(xiàn)比較簡單，OSIntCtxSw在中斷中調(diào)用，在中斷之后，中斷服務(wù)函數(shù)已經(jīng)保護(hù)了被中斷任務(wù)的現(xiàn)場，所以O(shè)SIntCtxSw函數(shù)無需再做保護(hù)現(xiàn)場的工作，其它功能與OSCtxSw相同。

OSStartHighRdy函數(shù)主要在OSSart中調(diào)用，其主要功能是就緒態(tài)中的任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行。OSStartHighRdy的示意性代碼如圖8所示。

uC/OS-ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源來實(shí)現(xiàn)時間的延遲和超時的功能，時鐘的節(jié)拍應(yīng)該每秒發(fā)生10~100次，當(dāng)時鐘節(jié)拍中斷發(fā)生，系統(tǒng)調(diào)用時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子函數(shù)OSTickISR。

圖8 示意性代碼Fig.8 Schematic code

3 結(jié)語

隨著嵌入式應(yīng)用的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及方方面面，不同的應(yīng)用也對系統(tǒng)提出了不同的要求，uC/OS-ⅱ作為開源的嵌入式操作系統(tǒng)其代碼短小精悍，提供了操作系統(tǒng)的基本功能，具有可移植、可固化、可裁剪、搶先調(diào)度、多任務(wù)運(yùn)行的特定。但是嵌入式系統(tǒng)針對的是不同的微處理器，因此只能提供內(nèi)核，與處理器相關(guān)的底層代碼必須單獨(dú)開發(fā)。經(jīng)過上述工作之后uC/OS-ⅱ能夠在S3C2440的單片機(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成程序的開發(fā)。

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