摘? 要: 介紹了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II的特點和內(nèi)核結構,并首次實現(xiàn)了μC/OS-II在Motorola嵌入式處理器MCF5272上的移植。?
關鍵詞: μC/OS-II? MCF5272? 移植? GNU工具鏈?
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作為一個實時內(nèi)核,μC/OS從1992年開始為人們熟悉,到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為μC/OS-II。μC/OS-II最多支持56個任務,其內(nèi)核為占先式,總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務,并支持Semaphore(信號量)、Mailbox(郵箱)、Message Queue(消息隊列)等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是,μC/OS-II公開所有的源代碼,并可以免費獲得,對商業(yè)應用收取少量License費用。一般商用操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS、WinCE,購買費用動輒數(shù)萬美元,而且每件產(chǎn)品都需要交納運行費,開發(fā)、使用成本高昂。?
目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire處理器,采用ColdFire V2可變長RISC處理器核心和DigitalDNA技術,在66MHz時鐘下能夠達到63Dhrystone2.1MIPS。其內(nèi)部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊,如10/100MHz快速以太網(wǎng)控制器,USB1.1接口等,并且能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實現(xiàn)無縫連接,從而簡化了外圍電路設計,降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。?
使用GNU工具鏈(包括交叉編譯器GCC、匯編器AS等)進行μC/OS-II內(nèi)核的編譯,Host(宿主機)環(huán)境為Linux RedHat 6.2,MCF5272目標板" title="目標板">目標板上有4MB FLASH、16MB SDRAM。在宿主機上編譯出MCF5272處理器的可執(zhí)行代碼,通過MCF5272的BDM調試工具下載到目標板調試運行。?
1 μC/OS-II系統(tǒng)結構?
圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結構。應用程序處于整個系統(tǒng)的頂層,每個任務都可以認為自己獨占了CPU,因而可以設計成為一個無限循環(huán)。μC/OS-II處理器無關的代碼提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務,應用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務間通信以及創(chuàng)建、刪除任務等。?
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大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的,因此μC/OS-II的可移植性較好。盡管如此,仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求:?
(1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼;?
(2)可以使用C調用進入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼);?
(3)處理器必須支持硬件中斷,并且需要一個定時中斷源;?
(4)處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;?
(5)處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。?
移植μC/OS-II的主要工作就是處理器和編譯器相關代碼以及BSP的編寫。?
2 μC/OS-II BSP編寫?
BSP(板級" title="板級">板級支持包)是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次,它完成系統(tǒng)上電" title="上電">上電后最初的硬件和軟件初始化,并對底層硬件進行封裝,使得操作系統(tǒng)不再面對具體的硬件。?
為μC/OS-II編寫一個簡單的BSP。它首先設置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧,并初始化堆棧指針,建立程序的運行和調用環(huán)境;然后可以方便地使用C語言設置MCF5272片選地址(CS0～CS7)、GPIO以及SDRAM控制器,初始化串口" title="串口">串口(UART0)作為默認打印口,并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關例程和函數(shù)如dprintf(),以方便調試;在CPU、板級和程序自身初始化完成后,就可以把CPU的控制權交給操作系統(tǒng)了。?
MCF5272處理器將系統(tǒng)上電作為2號異常,因此需要在異常矢量表中相應位置填寫第一條指令的物理地址,這可以在編譯時自動完成。該矢量表必須存放在CS0對應的FLASH中供CPU上電時自動讀取。如:?
_vectors:?????????????????????????? //矢量表起始地址?
.long?? 0x0, _start, _fault, _fault, ...??? //初始化1K字節(jié)矢量表?
??????? ......?
_start: nop???????????????????? //第一條指令?
??????? move.w? #0x2700, %sr??? //屏蔽所有中斷?
??????? move.l? #_vectors, %d0?
??????? move.c? %d0, %VBR?????? //#vectors->VBR?
??????? move.l? #0x10000001,%d0 ?
??????? move.c? %d0, %MBAR? //SIM單元基地址0x10000000?
??????? move.l? #0x20000001,%a0 //SRAM起始地址0x20000000?
??? ??? move.c? %a0, %RAMBAR0 //初始化內(nèi)部SRAM?
??????? move.l? #0x20001001, %a7 //設置堆棧指針?
??????? ......?
??????? jsr cpu_init??????? //調用cpu_init初始化SIM單元?
??????? jsr ucos_start????????????????? //啟動uC/OS-II?
??????? ......?
??? 其中cpu_init函數(shù)用于初始化CPU內(nèi)部SIM單元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化,不同生產(chǎn)商的SDRAM的初始化時序有一定差異。?
BSP在完成片級和板級初始化后,還負責初始化程序自身,如將.data段的內(nèi)容從只讀的ROM復制到SDRAM中,建立運行時環(huán)境。以下是建立程序數(shù)據(jù)段的代碼:?
??? memcpy(&_sdata,&_etext, (&_edata - &_sdata));//拷貝.data段?
??? memset(&_sbss, 0, (&_ebss - &_sbss));//將.bss段清零?
還需要為μC/OS-II編寫4個簡單的匯編函數(shù)。在每個硬件時鐘到來后,μC/OS-II會在中斷服務例程中調用OSIntCtxSw()進行任務調度;另外,當某個任務因等待資源而被掛起時,沒有必要等到自己的時間片全都用完,可以自己主動放棄CPU,這可以通過調用一個任務級的任務調度函數(shù)OSCtxSw()來實現(xiàn)。其中相對復雜的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR()調用了OSIntExit(),OSIntExit()又再次調用了OSIntCtxSw(),如果進行任務切換,那么兩次調用都不會返回,而不同的C編譯器、不同的編譯選項處理C調用時對堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw()是編譯器相關的。GCC在使用2～4級優(yōu)化時,在主調函數(shù)中會是一個jsr跳轉指令,而被調函數(shù)以linkw %fp, #
OSIntCtxSw:?
??? adda.l?? #16,%a7??????? //棧補償,GCC-O2->-O4優(yōu)化?
??? move.l?? (OSTCBCur),%a1?
??? move.l ??%a7,(%a1)? //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP?
??? jsr????? OSTaskSwHook???????? //調用Hook鉤子函數(shù)?
??? /*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/?
??? move.l?? (OSTCBHighRdy), %a1?
??? move.l?? %a1, (OSTCBCur)?
??? move.b?? (OSPrioHighRdy), %d0????? ?
??? move.b?? %d0, (OSPrioCur)?? //OSPrioCur=OSPrioHighRdy?
??? move.l?? (%a1),%a7? //SP=OSTCBCur->OSTCBStkPtr?
??? movem.l? (%a7),%d0-%d7/%a0-%a6? //恢復CPU寄存器,切換到新任務?
??? lea????? 60(%a7),%a7?
??? rte?
?? 篇幅所限,其它三個函數(shù)就不贅述了。?
3 μC/OS-II任務堆棧初始化?
μC/OS-II中每個任務都有自己的任務堆棧,在任務創(chuàng)建初期由OSTaskStkInit()初始化。初始化堆棧的目的就是模擬一次中斷。任務堆棧中保存了任務代碼的起始地址和一些CPU寄存器(初值是無關緊要的),這樣一旦條件滿足,就可以執(zhí)行該任務了。MCF5272在中斷發(fā)生時,會自動保存程序指針PC、狀態(tài)寄存器SR以及其它一些信息,為四字幀結構。除此以外,%d0-%d7、%a0-%a6也必須按一定順序入棧。OSTaskStkInit()在完成堆棧初始化后,還要返回棧頂指針以用于該任務控制塊TCB結構的初始化。該程序使用C語言編寫。?
4 μC/OS-II系統(tǒng)時鐘?
MCF5272處理器內(nèi)置了4個定時器,使用TIMER0產(chǎn)生周期10ms的定時中斷作為系統(tǒng)時鐘。當PIVR寄存器設置為0x40時,TIMER0為69號中斷,在矢量表的相應位置需填入時鐘服務程序OSTickISR()的入口地址,并初始化時鐘:?
??? volatile unsigned short*pTimer;?
??? pTimer=(unsigned short*)(0x10000000+0x200);//指向TIMER0?
??? /* 復位時鐘 */?
??? *pTimer &= 0xFFF9;???? //定時器處于STOP狀態(tài)?
??? *pTimer=(*pTimer & 0x00FF) | 0xFA00;//預分頻=250?
??? *pTimer |= 0x0018;??? ? //計數(shù)滿自動清零,中斷方式?
??? pTimer[2] = 165;????????? //Set TRR = 165?
??? *pTimer=(*pTimer & 0xFFF9) | 0x0004;CLK=Master/16, 啟動?
??? 上述程序段時鐘節(jié)拍的周期為:(1/66MHz)×250×165×16=0.01秒。實時性要求高的場合可以使用更為精細的時鐘。TIMER0一旦完成初始化,就開始工作,但是要讓中斷發(fā)生,還必須設置ICR寄存器相應字段給該中斷分配IPL(Interrupt Priority Level,中斷優(yōu)先級),并保證該中斷沒有被狀態(tài)寄存器SR屏蔽。?
該時鐘初始化代碼可以放在第一個μC/OS-II任務中,在OSStart()后執(zhí)行。一旦內(nèi)核可以進行正常的任務切換,移植工作也就基本完成了。?
5 內(nèi)核編譯與下載?
所有的C和匯編源文件經(jīng)過編譯、鏈接,最終形成一個二進制映像文件。由于μC/OS-II使用了自定義的數(shù)據(jù)類型,因此必須將其轉變成為GCC(GNU C Compiler)能識別的類型,如INT8U可以定義為unsigned char。另外,還必須編寫一個LD(鏈接腳本)文件控制編譯,將程序定位到實際的ROM和RAM資源中。為了調試方便,通常是通過BDM工具將內(nèi)核下載到目標板SDRAM中運行,調試通過后再固化到FLASH中。?
RTOS是當前嵌入式應用的熱點。應用RTOS,可以使產(chǎn)品更可靠、功能更強大而開發(fā)周期更短。μC/OS-II有著良好的實時性和很小的代碼量,并被廣泛移植到x86、68K、ColdFire、MPC 8xx、ARM、MIPS、C5409等許多處理器上。數(shù)百個成功的商業(yè)應用實例說明μC/OS-II是一個穩(wěn)定可靠的內(nèi)核,因此將μC/OS-II移植到MCF5272具有很強的實用前景。?
參考文獻?
1 JEAN J,LABROSSE. μC/OS-II:the Real Time Kernel. R&D Books. 2000?
2 MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User＇s Manual.Rev.1 02/2001?
3 (美)拉伯羅斯著,邵貝貝譯.μC/OS-II——源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng).北京:中國電力出版社,2001?