基于ARM的uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)研究

胡國晨

（西安石油大學(xué) 〈中船重工西安東儀科工集團(tuán)有限公司〉 陜西 西安 710000）

1 嵌入式處理器內(nèi)核的分析

1.1 嵌入式操作系統(tǒng)選擇

uC/OS-Ⅱ是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是Jean J.Labrosse在1992編寫的。最早的這一系統(tǒng)被稱為uC/OS，經(jīng)過近10年的應(yīng)用和修改，uC/OS-Ⅱ于1999在JeaJ.LabRoSE中引入，2000年，聯(lián)邦航空局批準(zhǔn)了商用飛機(jī)RTCA DO-178B標(biāo)準(zhǔn)，從而證明uC/OS-Ⅱ具有完整性、穩(wěn)定性和安全性。uC/OS-Ⅱ構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可讀性強(qiáng)、功能齊全，并適合擴(kuò)展更多功能。并且，uC/OS-Ⅱ是公開免收費(fèi)源代碼的嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核，自1992誕生以來，uC/OS-Ⅱ在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 基于LPC2290處理器內(nèi)核分析

我們選用的核心板是DEVICEARM2200，標(biāo)準(zhǔn)配置處理器為L(zhǎng)PC2290，2M字節(jié)NOR FLASH、8M字節(jié)RAM、16M字節(jié)NAND FLASH和256字節(jié)E2PROM的MagicARM2200開發(fā)平臺(tái)。MagicARM2200滿足很多種類的接口，有以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器、IDE硬盤、CF卡、CAN、SD卡、液晶屏、JTAG仿真調(diào)試和外設(shè)PACK和GPIO輸出等，同時(shí)還支持u CLinux、uC/OS-Ⅱ雙操作系統(tǒng)，搭建用戶系統(tǒng)平臺(tái)更方便。

2 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的移植

2.1 移植分析的先決條件

為了保證uC/OS-Ⅱ正常運(yùn)行，處理器要滿足處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼的要求。中斷可以用C語言打開和關(guān)閉。該處理器支持中斷，并且可以產(chǎn)生定時(shí)中斷。該處理器具有讀取和存儲(chǔ)的堆棧指針和其他CPU寄存器到堆棧或存儲(chǔ)器的指令。

2.2 移植的標(biāo)準(zhǔn)原則

2.2.1 編譯器的挑選

目前，有許多類型的C編譯器適合ARM處理器，如SDT、ADS/IAR/TAG和GCC，它們比SDT、ADS和GCC使用得更多。

SDT和ADS均是由ARM公司開發(fā)的，SDT的升級(jí)版本是AD，ARM不再支持SDT，因此，當(dāng)uC/OS-Ⅱ移植到ARM7時(shí)，使用ADS編譯器是最好的選擇。我們利用ADS編譯器編制了MAGICARM2200開發(fā)平臺(tái)上的移植代碼。

2.2.2 ARM7工作模式的選擇

ARM7處理器采用的是PHILPS公司的ARM7TDMI-S微控制器LPC2290。uC/OS-Ⅱ任務(wù)可使用的模式有用戶模式和系統(tǒng)模式。為了切換任務(wù)模式，在移植過程中，將兩個(gè)用于架構(gòu)交換的系統(tǒng)函數(shù)添加到uC/OS Ⅱ中：ChangeToSYSMode( )和 ChangeToUSRMode( )。

2.3 移植工作的內(nèi)容

2.3.1 OS_CPU.H的移植

（1）自定義數(shù)據(jù)類型

uC/OS-Ⅱ不適用C語言的中的短整型和長(zhǎng)整型等預(yù)處理器類型相關(guān)數(shù)據(jù)的類型，而用移植性強(qiáng)的整型數(shù)據(jù)類型，這樣既直觀又便于移植，同時(shí)這部分內(nèi)容也是必須移植的代碼。

對(duì)于不同類型的8/16/32位處理器，編譯器對(duì)C語言中的short，int，double等數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度定義并不一致，因此μC/OS-Ⅱ中重新定義了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型，以便在操作系統(tǒng)的移植過程中需要修改的代碼量減為最少，定義如下：

（2） 定義匯編語言接口函數(shù)

在μC/OS-Ⅱ中有四個(gè)軟件中斷程序，它們是用匯編語言編譯的。為了使用C語言調(diào)用中斷功能，ADS編譯器使用軟中斷指令SWI來定義接口功能。當(dāng)調(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)，處理器根據(jù)軟件中斷號(hào)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)程序的入口地址。在移植文件OS_CPU.H中，上表中各函數(shù)如下：

為了在uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)快速移植，我們使用自己定義的數(shù)據(jù)類型來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核代碼，宏定義uC/OS-Ⅱ與微處理器使用的數(shù)據(jù)類型相同是移植的先決條件，通過OS_CPU.H頭文件實(shí)現(xiàn)可以保證移植后RTOS在微處理器系統(tǒng)平臺(tái)上正常運(yùn)行，

（1）在OS_CPU.H中先使用typedef和#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義，然后uC/OS-Ⅱ才使用C語言中的短整型、整型等數(shù)據(jù)類型。與此同時(shí)，一般通過為OS_STK定義無誤的C數(shù)據(jù)類型來確定完成任務(wù)堆棧的數(shù)據(jù)類型。

（2）在uC/OS-Ⅱ中，有兩種進(jìn)入臨界區(qū)的途徑。第一種途徑是在輸入關(guān)鍵節(jié)代碼時(shí)關(guān)閉中斷，并且在關(guān)鍵節(jié)代碼的末尾打開中斷。這是保護(hù)關(guān)鍵節(jié)代碼的正常操作的更好方法，但如果在輸入關(guān)鍵段代碼之前關(guān)閉了中斷，則在關(guān)鍵節(jié)的末尾就會(huì)更改中斷開關(guān)狀態(tài)。第二種途徑是在進(jìn)入臨界區(qū)之前中斷開關(guān)狀態(tài)堆棧保護(hù)，然后關(guān)閉執(zhí)行臨界區(qū)的代碼，當(dāng)關(guān)鍵節(jié)代碼完成時(shí)，在輸入關(guān)鍵段代碼之前堆棧進(jìn)程的中斷開關(guān)狀態(tài)，這可以確保中斷開關(guān)狀態(tài)在關(guān)鍵節(jié)代碼前后不變。

2.3.2 OS_CPU_C.C的移植

移植要求我們必須編寫：初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)的OSTaskStkInit( )函數(shù)、允許用戶擴(kuò)展μC/OS-Ⅱ的功能的OSTaskCreateHook( )函數(shù)、OSTaskDelHook( )函數(shù)、任務(wù)切換時(shí)調(diào)用OSTaskSwHook( )的函數(shù)、用戶擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)功能的OSTaskStatHook( )函數(shù)和每次時(shí)鐘節(jié)拍被OSTaskTick()調(diào)用的OSTimeTickHook( )函數(shù)。

僅僅有OSTaskStkInit( )是一定要編寫的，剩余的五個(gè)函數(shù)只定義即可。我們?cè)诠こ汤锞帉懥薕STaskStkInit( )這個(gè)函數(shù)，μC/OS-Ⅱ中任務(wù)堆棧初始化函數(shù)定義為OSTaskStkInit( )，目的是初始化任務(wù)堆棧，當(dāng)該任務(wù)由于某種原因掛起時(shí)，程序狀態(tài)寄存器CPSR和當(dāng)前任務(wù)相關(guān)的寄存器信息都保存到堆棧中。針對(duì)LPC2290處理器，包括通用寄存器R0~R12，鏈接寄存器（LR）、程序計(jì)數(shù)器（PC）。

2.3.3 OS_CPU.A.ASM的移植

在μC/OS-Ⅱ中原始文件為OS_CPU_A.ASM，由于ADS編譯器規(guī)定的匯編語言文件后綴名為S，因此其改名為OS_CPU_A.S，移植過程需要編寫如下匯編語言函數(shù)：最高優(yōu)先級(jí)OSStartHighRdy( )、任務(wù)級(jí)OSCtxSw( )、中斷級(jí)函數(shù)和OSIntxSw( )和時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR( )。

OSStartHighRdy( )由OSRET( )函數(shù)調(diào)用，使系統(tǒng)能夠進(jìn)入多任務(wù)環(huán)境，以在就緒任務(wù)中運(yùn)行具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，并且其相應(yīng)的匯編語言函數(shù)形式是__OSStartHighRdy( )。由于任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)需要初始化，寄存器的初始化數(shù)據(jù)早已被壓縮到堆棧中，所以O(shè)sStasyRyDy( )函數(shù)只需要獲取任務(wù)的堆棧指針，并從堆棧恢復(fù)保存的數(shù)據(jù)就可以了。

OSCTXSW( )和OSIntxSw( )函數(shù)用于切換任務(wù)。與OSCTXSW( )函數(shù)不同，處理器寄存器值必須先存儲(chǔ)在堆棧中，然后暫停任務(wù)；將OsTunxSW( )函數(shù)切換到中斷級(jí)任務(wù)，從而將處理器寄存器值保存到任務(wù)中。堆棧被中斷，沒有必要再保存它。大多數(shù)匯編代碼是相同的，OSIntxSw( )可以通過跳轉(zhuǎn)到OSCTXSW( )中的相同代碼來實(shí)現(xiàn)。

3 Boot Loader 的設(shè)計(jì)

Boot Loader是運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運(yùn)行的小代碼?？恐@個(gè)小代碼，我們能初始化硬件設(shè)備，并創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存空間的映射，將系統(tǒng)的硬件和軟件環(huán)境帶到合適的狀態(tài)，以便為操作系統(tǒng)內(nèi)核的最終調(diào)用準(zhǔn)備正確的環(huán)境。

通常情況下，Boot Loader很依賴硬件。因此，在嵌入式世界中構(gòu)建通用的引導(dǎo)加載程序幾乎是不可能的。然而，我們可以將一些一般概念歸納為引導(dǎo)加載程序，以指導(dǎo)用戶特定的引導(dǎo)加載程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

4 建立uC/OS-Ⅱ擴(kuò)展RTOS的文件系統(tǒng)

我們把uC/OS-Ⅱ移植到DEVICEARM2200核心板上以后，開始對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充。依次是構(gòu)建文件系統(tǒng)、建立驅(qū)動(dòng)代碼并使API函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、定義圖形用戶接口（GUI）函數(shù)、重建其他實(shí)用的應(yīng)用程序接口函數(shù)等。

在嵌入式設(shè)備的固態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中有一片容量為2M的NAND FLASH存儲(chǔ)芯片。它由文件系統(tǒng)管理，同時(shí)文件系統(tǒng)的功能函數(shù)和FLASH之間有相關(guān)驅(qū)動(dòng)代碼并完成數(shù)據(jù)交換。

首先要讓iNoSoFrfile()函數(shù)初始化，然后為文件緩沖區(qū)分配存儲(chǔ)空間。文件系統(tǒng)函數(shù)在OsField.h中定義。使用OpenOsFrase( )函數(shù)在指定的模式下打開文件文件；用Read OsScript()函數(shù)將打開的文件數(shù)據(jù)讀入指定的緩沖區(qū)；用RealeOsFoofile( )函數(shù)將指定的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫入文件；使用LureReADOSfile()函數(shù)的文本文件的Reter，用CuteOsFixfile( )函數(shù)關(guān)閉文件并釋放文件。文件緩沖區(qū)；使用SekOsFask( )函數(shù)定位文件指針；刪除DeleTeSoFfile()函數(shù)指定的文件用于實(shí)現(xiàn)控制的傳遞。