嵌入式系統μC/OS-II在LPC2119上的移植方法和技巧

本文在分析實時嵌入式系統mC/OS-II和LPC2119芯片的基礎上，對mC/OS-II向處理器上移植前需要了解的知識和需要做的前期準備工作進行了分析和討論，最后給出了移植的具體工作。論文著重分析了mC/OS-II的移植。

μC/OS-II是一個完整的，可移植、可固化、可裁減的占先式實時多任務內核，它功能強大，支持56個用戶任務，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制。公開源代碼，程序可讀性強、移植性好，同時可免費獲得。

LPC2119是由PHILIPS生產的一款32位ARM7TDMI-S微處理器，其核心為高性能的32位RISC體系結構，并具有高密度的16位指令集和極低的功耗。具有零等待128K字節的片內FLASH，16K的SRAM，無需擴展存儲器，使系統更為簡單、可靠。

表1

本文主要討論μC/OS-II在LPC2119上的移植，同時對移植前需要掌握的基本知識進行了分析，特別是對與移植密切相關的三個文件進行了詳細分析，還對用到的芯片的重映射概念進行了詳細說明。

LPC2119簡介

LPC2119片上資源除了上面介紹的存儲器外，還有2個UART、高速I2C接口、2個SPI接口、6路輸出的PWM單元、4路10位AD轉換器、2個32位定時器、2個CAN通道、實時時鐘及看門狗等，通過片內PLL可實現最大為60MHz的CPU操作頻率。

由于下文啟動代碼的編寫要用到重映射(remap)的概念，LPC2119以及其它系列的芯片如AT91等也都有重映射的功能，所以在此加以說明對其它ARM芯片的學習具有借鑒作用。

在ARM芯片的存儲器中，異常向量表如表1所示。

當系統上電后，程序將自動從0地址處開始執行，因此在系統的初始狀態，要求0地址處的存儲器是非易性的ROM或Flash等。但是ROM或Flash的訪問速度相對較慢，每次中斷發生后，都要從讀取ROM或Flash上的向量表開始，影響了中斷響應速度。因此，LPC2119提供一種靈活的地址重映射方法，該方法可以將內部RAM的地址重新映射到0x0的位置。在系統執行重映射命令之前，需要將Flash中的中斷向量代碼拷貝到內部RAM中。這樣在重映射命令執行之后相當于從內部RAM中0x0的位置找到中斷向量，而實際上是將RAM的起始地址0x40000000映射為0x0了。這樣，中斷執行時相當于在 RAM中找到對應中斷向量，實現異常處理調試。

μC/OS-II的介紹

μC/OS-II實際上是一個嵌入式操作系統內核，內核提供的基本服務就是任務切換。在μC/OS-II中，為每個任務分配專門的堆棧空間。μC/OS-II進行任務切換的時候，會把當前任務的CPU寄存器放到此任務的堆棧中，然后再從另一個任務的堆棧中恢復原來的工作寄存器，繼續運行另一個任務。所以，寄存器的入棧和出棧是μC/OS-II多任務調度的基礎。

圖1 μC/OS-II硬件和軟件體系結構

μC/OS-II的結構如圖1所示。

如圖1所示，與處理器相關的代碼只有三個文件，一般移植的時候只要修改這三個文件就可以了。

編寫啟動代碼

啟動代碼是芯片復位后進入C語言的main()函數前執行的一段代碼，主要是為運行C語言程序提供基本運行環境，如初始化外圍部件、存儲器系統等。因此啟動代碼的功能有些類似PC機中的BIOS和VxWorks中的 Bootloader。由于飛利浦未提供該芯片的啟動代碼，所以需要自己編寫啟動代碼。

啟動代碼可以劃分為五個文件： STartup.s、IRQ.s、stack.s、heap.s和target.c。Startup.s包含了前面提到的異常向量表和系統初始化代碼，一般無需改動;IRQ.s包含中斷服務程序與C程序的接口代碼，可根據實際使用的中斷情況進行少量修改;stack.s和heap.s保存C語言使用的堆和棧的開始位置;target.c包含目標板特殊的代碼，包括異常處理程序和目標板初始化程序，可根據程序的需要修改。

圖2 系統基本初始化Tar get Peset1 ni t()流程圖

由于啟動代碼的編寫很長，而本文只是想指出編寫啟動代碼是移植前必須做的準備工作并對其進行簡要說明，因此在這里就不具體列出所有代碼(具體的啟動代碼見參考文獻[1])，而給出一個很重要的目標板初始化程序中的函數TargetReseTInit()的流程圖，從中可以看出在進入main ()函數前對系統進行的基本初始化工作的具體步驟。

移植

有了上面的知識和編寫啟動代碼這項準備工作完成后，就可以進入具體移植階段了。主要完成以下工作：

① 為了增強代碼的可移植性，所有C文件添加頭文件includes.h。

② 用戶程序添加config.h。

③ 在文件OS_CPU.H中需要添加或修改的主要代碼有：

定義不依賴于編譯器的數據類型：

typedef unsigned char INT8U;

typedef unsigned short INT16U;

typedef unsigned int INT32U;

typedef INT32U OS_STK;

使用軟中斷SWI作底層接口：

__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void); /* 任務級任務切換函數 */

__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void); /* 運行優先級最高的任務 */

__swi(0x02) void OS_ENteR_CRITICAL(void); /*關中斷 */

__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void); /* 開中斷 */

__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void); /* 任務切換到系統模式 */

__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void); /* 任務切換到用戶模式 */

#define OS_STK_GROWTH 1 /* 堆棧是從上往下長的*/

定義工作模式：

#define USR32Mode 0x10 /* 用戶模式 */

#define SYS32Mode 0x1f /* 系統模式*/

#define NoInt 0x80

#ifndef USER_USING_MODE

#define USER_USING_MODE USR32Mode /* 任務缺省模式*/

#endif

定義開關信號量： extern OS_STK OsEnterSum

④ 在文件OS_CPU_C.C中需要添加或修改的代碼：

OS_ENTER_CRITICAL()代碼

__asm

{ MRS R0, SPSR

ORR R0, R0, #NoInt

MSR SPSR_c, R0

}

OsEnterSum++;

OS_EXIT_CRITICAL()代碼

if (--OsEnterSum == 0)

{ __asm

{ MRS R0, SPSR

BIC R0, R0, #NoInt

MSR SPSR_c, R0

}

}

編寫任務堆棧的初始化代碼：

OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)

{ OS_STK *stk;

opt = opt; /* 'opt' 沒有使用。作用是避免編譯器警告 */

stk = ptos; /* 獲取堆棧指針*/

/* 建立任務環境，使用滿遞減堆棧 */

*stk = (OS_STK) task; /* pc */

*--stk = (OS_STK) task; /* lr */

*--stk = 0; /* r12 */

?? /*r11?r2*/

*--stk = 0; /* r1 */

*--stk = (unsigned int) pdata; /* r0,第一個參數使用R0傳遞 */

*--stk = (USER_USING_MODE|0x00); /* spsr，允許 IRQ, FIQ 中斷 */

*--stk = 0; /* 關中斷計數器OsEnterSum; */

return (stk);

}

編寫如void OSInitHookBegin ( )、void OSInitHookEnd ( )、void OSTaskCreateHook ( )、void OSTaskDelHook ( )等鉤子函數，用戶可根據需要自行添加代碼。

⑤ 在文件OS_CPU_A.S中需要添加或修改的代碼：

編寫運行優先級最高的就緒任務函數OSStartHighRdy()調用的__OSStartHighRdy代碼

__OSStartHighRdy

MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)

LDR R4, =OSRunning

MOV R5, #1

STRB R5, [R4]

BL OSTaskSwHook

LDR R6, =OSTCBHighRdy

LDR R6, [R6]

B OSIntCtxSw_1

編寫OSIntCtxSw代碼

由于篇幅所限，這里給出OSIntCtxSw函數原型，可由此編寫代碼。源代碼詳見參考文獻[1]。

void OSIntCtxSw(void)

{

調用用戶定義的OSTaskSwHook();

STCBCur=OSTCBHighRdy;

SPrioCur=OSPrioHighRdy;

得到需要恢復的任務的堆棧指針;

堆棧指針=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;

將所有處理器寄存器從新任務的堆棧中恢復出來;

執行中斷返回指令;

}

由于篇幅所限，以上給出了移植時需要修改的與處理器相關的三個文件中的主要代碼，當然更詳細的移植說明可見參考文獻[1].為了驗證移植成功與否，你可以編寫一個簡單用戶程序(例如通過串口通訊在PC界面顯示字符)與mC/OS-II一起編譯燒寫進芯片來檢驗，筆者已經試驗成功。

需要避免的錯誤

用戶程序中的includes.h要修改為config.h，這是因為后者包含了前者和特定的頭文件以及配置項。

數據類型的定義不能直接使用C中的short、int、long等，因為它們與處理器類型有關，隱含著不可移植性，所以在OS_CPU.H中定義移植性強的不依賴于編譯器的數據類型。

必須定義堆棧的生長方向，1表示堆棧從上往下長，0表示堆棧從下往上長，ARM處理器兩種方式都支持，但使用的ADS編譯器僅支持從上往下長的方式，因此必須定義為1，否則將發生寄存器值入棧錯誤。

注意任務堆棧初始化函數中的stk指針定義成INT32U，這是因為我們的處理器是32位的，對堆棧操作也是4字節對齊的。如果處理器是16位的，且對堆棧訪問也是2字節對齊的，就要將stk定義成INT16U，否則將會發生嚴重錯誤。

結語

μC/OS-II具有很好的可靠性、實時性和可裁減性，很適合于工業控制、通信等對實時性、可靠性要求高的領域。筆者采用廣州周立功公司的EASYARN2100試驗開發板，已經成功把μC/OS-II移植到該開發板上。如果用戶對ARM處理器及相關底層硬件和μC/OS-II有一定了解，參照本文，對將μC/OS-II移植到LPC21xx系列ARM處理器上大有幫助。