基于MC68HC908GP32的μC/OS-II移植

在前幾講中，介紹了μC/OS-II的概念、工作機制，還介紹了μC/OS-II在Intel 80X86CPU上的移植，相信讀者通信學習，已經對移植的過程和步驟有了一定的了解。由于RAM容量的限制，移植就存在一定的困難；但對于有些8位的MCU，將μC/OS-II移植到MOTOROLA MC68H908GP32（以下簡稱GP32）上。

一、在GP32上移植μC/OS-11的主要問題

GP32為韓國Gamepark株式會社自行開發的掌上游戲機，于2001年10月開始發售。主機使用3.5英寸TFT-LCD液晶，解決了STN-LCD畫面暗的缺點（GBA存在這樣的問題）同時也解決了畫面殘象的問題，玩動作游戲畫面更流暢。主機參數

名稱- GP32，LCD- 反射型TFT彩色液晶，畫面尺寸- 3.5英寸，解象度- 320 x 240，表示能力- 65536色，CPU- 32bit RISC-CPU，ROM- 512Kbyte，SDRAM- 8MB，聲音- 16Bit Stereo Sound MIDI 4聲道PCM，通信- RF Network支援，使用電池- 2節AA電池，電池壽命- 12小時，外部連接端子- USB port，MEDIA- SMC（Smart Card Media）

在第（4）講中，介紹過要移植μC/OS-11，目標處理必須滿足以下要求：

（1）處理器的C編譯器能產生可重入代碼；

（2）用C語言就可以打開和關閉中斷；

（3）處理器支持中斷，并且能產生定時中斷（通常在10～100Hz之間）；

（4）處理器支持足夠的RAM，保存全局變量和作為多任務環境下的任務堆棧。

（5）處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。

編譯后的μC/OS-II的內核大約有6～10KB；如果只保留最核心的代碼，則最小可壓縮到2KB。RAM的占用與系統中的任務數有關，任務堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務的局部變量、緩沖區大小及可能的中斷嵌套的層數。而像MOTOROLA6805系列的8位MCU，由于RAM資源太小且堆棧指針是固定的，不能滿足上面的第（4）條和第（5）條要求，所以μC/OS-II不能在這類處理器上運行。

μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。

μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域， 如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫療設備及工業控制上。實際上，μC/OS-II已經通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局（Federal Aviation Administration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩定可靠的，可用于與人性命攸關的安全緊要（safety critical）系統。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

GP32是68HC08家庭的成員，具有512字節的片內RAM，32K字節的片內Flash，8MHz總線時鐘。內部寄存器包括1個8位累加器A，1個16位索引寄存器X，1個16位堆棧指針寄存器SP，1個16位程序指針寄存器PC及1個8位標志寄存器CCR。與6805系列MCU相比，68HC08系列MCU的堆棧指針為16位，可以自由尋址。這就滿足了移植條件（5），且可以使用C編譯器生成代碼。

在GP32上移植μC/OS-II的主要困難還是RAM資源太少。為了移植成功，必須采取措施減少RAM的用量，包括限制系統中的任務數量、仔細修改μC/OS-II內核、去掉不使用的部分、限制任務的斷嵌套層數、在任務中盡量減少使用局部變量等等。在采取了上述措施后，可將RAM用量減少到最低。在GP32上移植μC/OS-II更多的是一種演示，能更好地說明μC/OS-II內核的可裁剪性和靈活性。

在本講中將介紹一個移植實例。為了減少RAM用量，在本例中只運行了2個用戶任務。盡量減池一內核中不必要的模塊（包括由箱、消息隊列、內存管理等），去掉了任務掛起、喚醒和刪除等擴展功能，但仍然支持任務的創建和管理，也保留了信號量模塊來用來任務間的通訊。

二、工具和運行環境

要實現μC/OS-II向GP32的移植，需要一個面向MC68HC08的C編譯器。筆者使用的是HIWARE公司的C編譯器。移植過程同樣適用于MC68HC08家庭的其他成員。

三、移植中所需修改的文件

首先是編寫整個項目的公共頭文件include.h，這個文件定義使用內核中的哪些模塊。Include.h會被所有的C源程序引用。還要修改和CPU相關的三個文件，分別是頭文件OS_CPU08.H、匯編代碼文件OS_CPU08.ASM和C代碼文件OS_CPU08.C。

1.include.h文件

include.h是主頭文件，在所有后綴名為。C的文件的開始都包含include.h文件。文件中可以內核進行裁剪。在本例中定義如下：

　　#define OS_MAX_EVENTS 2 /*共用了2個信號量*/

　　#define OS_MAX_MEM_PART 0 /*不使用內存塊功能*/

　　#define OS_LOWEST_PRIO 20 /*定義最低優先級20*/

　　#define OS_TASK_IDLE_STK_SIZE 60 /*定義空閑任務堆棧60字節*/

　　#define OS_TASK_STAT_EN 0 /*不使用統計任務*/

　　#define OS_MBOX_EN 0 /*不使用消息郵箱功能*/

　　#define OS_MEM_EN 0 /*不包括內存管理部分代碼*/

　　#define OS_TASK_CHANGE_PRIO_EN 0 /*不包括任務優先級動態改變代碼*/

　　#define OS_TASK_CREATE_EN1 /*包括任務創建函數代碼*/

　　#define OS_TASK_CREATE_EXT_EN 0 /*不包括帶擴展功能的任務創建函數*/

　　#define OS_TICKS_PER_SEC 10 /*定義每秒的時鐘節拍數*/

對于不同類型的處理器，還需要改寫include.h文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。在安裝μC/OS-II的時候，附帶了幾個移植實例，例如，針對Intel 80X86的代碼安裝到IIL目錄下。我們為GP32編寫的移植實例可放在IIHC08下，這樣，為GP32改寫的include.h文件中應該加入下列語句：

　　#include iiHC08_CPU08.ASM

　　#include iiHC08_CPU08.C

　　#include iiHC08_CPU08.H

　　2.OS_CPU08.H文件

　　OS_CPU08.H文件中定義了硬件相關的基本信息：

　　/*數據類型*/

　　typedef unsigned short INT16U;

　　typedef signed short INT16S;

　　typedef unsigned long INT32U;

　　typedef signed long INT32S;

　　/*定義堆棧增長方向*/

　　#define OS_STK_GROWTH1 /*堆棧由高地址向低地址增長*/

　　/*定義堆棧單位*/

　　#define OS_STK INT8U

　　/*定義進入臨界代碼區開關中斷宏*/

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） asm sei

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） asm cli

　　#define OS_TASK_SW（） asm swi

（1）數據類型

數據類型在數據結構中的定義是一個值的集合以及定義在這個值集上的一組操作。 變量是用來存儲值的所在處；它們有名字和數據類型。變量的數據類型決定了如何將代表這些值的位存儲到計算機的內存中。在聲明變量時也可指定它的數據類型。所有變量都具有數據類型，以決定能夠存儲哪種數據。

由于不同的處理器有不同的字長，μC/OS-II的移植需要重新定義一系列的數據結構。具體字長還和使用的C編譯器有關。在GP32中堆棧是按字節操作的，堆棧數據類型OS_STK聲明為8位。μC/OS-II中所有任務的堆棧都必須用OS_STK聲明。

數據類型的出現，是因為電腦內存有限。 把數據分成所需內存大小不同的數據，編程的時候需要用大數據的時候才需要申請大內存，就可以充分利用內存。 例如大胖子必須睡雙人床，就給他雙人床，瘦的人單人床就夠了。

（2）代碼臨界區

μC/OS-II在進入系統臨界代碼區之前要關閉中斷，等到退出臨界區后再打開，從而保護核心數據不被多任務環境下的其他任務或中斷破壞。在GP32中，開關中斷可以通過匯編指令CLI和SEI來實現。所以μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL（）定義為指令SEI，OS_EXIT_CRITICAL（）定義為指令CLI。

（3）堆棧增長方向

GP32的堆棧是由高地址向低地址方向增長的，所以常量OS_STK_GPOWTH必須設置為1。判斷堆棧增長方向

說明：今天看到alloca.c中find_stack_direction函數，用來判斷堆棧的增長方向，記錄下來。

　　#define ADDRESS_FUNCTION（arg） （arg）

　　/* Define STACK_DIRECTION if you know the direction of stack

　　growth for your system; otherwise it will be automatically

　　deduced at run-time.

　　STACK_DIRECTION > 0 => grows toward higher addresses

　　STACK_DIRECTION 0 => grows toward lower addresses

　　STACK_DIRECTION = 0 => direction of growth unknown */

　　#ifndef STACK_DIRECTION

　　#define STACK_DIRECTION 0 /* Direction unknown. */

　　#endif

　　#if STACK_DIRECTION != 0

　　#define STACK_DIR STACK_DIRECTION /* Known at compile-time. */

　　#else /* STACK_DIRECTION == 0; need run-time code. */

　　static int stack_dir; /* 1 or -1 once known. */

　　#define STACK_DIR stack_dir

　　static void

　　find_stack_direction （）

　　{

　　static char *addr = NULL; /* Address of first `dummy', once known. */

　　auto char dummy; /* To get stack address. */

　　if （addr == NULL）

　　{ /* Initial entry. */

　　addr = ADDRESS_FUNCTION （dummy）；

　　find_stack_direction （）； /* Recurse once. */

　　}

　　else

　　{

　　/* Second entry. */

　　if （ADDRESS_FUNCTION （dummy） > addr）

　　stack_dir = 1; /* Stack grew upward. */

　　else

　　stack_dir = -1; /* Stack grew downward. */

　　}

　　}

　　#endif /* STACK_DIRECTION == 0 */

（4）OS_TASK_SW（）函數的定義

在μC/OS-II中，OS_TASK_SW（）用來實現任務切換。就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發生后的樣子，堆棧中應該按進棧次序設置好各個寄存器的內容。OS_TASK_SW（）函數模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進行任務切換。GP32中可采用軟中斷指令SWI實現任務切換。中斷服務程序的入口點必須指向匯編函數OSCtxSw（）。

　　OS_TASK_SW（）的定義：

　　#define OS_TASK_SW（） asm swi

　　3.OS_CPU08.ASM文件

μC/OS-II的移植需要改寫OS_CPU08.ASM中的4個函數：OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）和OSTickISR（）。

（1）OSStartHighRdy（）函數

該函數由SStart（）函數調用，功能是運行優先級最高的就緒任務。在調用OSStart（）之前，必須先調用OSInit（），并且已經至少創建了一個任務。為了啟動任務，OSStartHighRdy（）首先找到當前就緒的優先級最高的任務（OSTCBHighRdy中保存有優先級最高任務的任務控制塊-TCB的地址），并從任務的任務控制塊（OS_TCB）中找到指向堆棧的指針，然后從堆棧中彈出全部寄存器的內容，運行RTE中斷返回。需要說明的是，由于GP32中有512字節RAM，所以地址指針必須是16位的；而GP32中累加寄存器A為8位，所以用累加器A傳遞地址必須進行兩次讀入、輸出操作。

　　Void OSStartHighRdy（void）

　　{asm

　　{

　　jsr OSTaskSwHook //調用用戶定義接口函數

　　lda OSRunning //設置OSRunning變量，標志進入多任務模式

　　inca

　　sta OSRunning

　　ldx OSTCBHighRdy //取得最高優先級就緒任務TCB地址

　　stx OSTCBCur //保存到OSTCBCur中

　　pshx

　　ldx OSTCBHighRdy:1//保存地址的第二個字節

　　stx OSTCBCur:1

　　pulh

　　lda 0,X //載放就緒任務堆棧指針

　　psha

　　ldx 1,X //載入就緒任務堆棧指針第二個字節

　　pulh

　　txs

　　pulh //恢復索引寄存器內容

　　rti //中斷返回，運行新任務

　　}}

（2）OSCtxSw（）函數

OSCtxSw（）是一個任務級的任務切換函數（在任務中調用，區別于在中斷程序中調用的OSIntCtxSw（））。在GP32上實現，可通過執行一條軟中斷指令SWI來實現任務切換。軟中斷向量指向OSCtxSw（）。如果OSSched（）將查找當前就緒的優先級最高的任務，若不是當前任務，則判斷是否需要進行任務調度，并找到該任務控制塊OS_TCB的地址，將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW（）執行軟中斷進行任務切換。在此過程中，變量OSTCBCur始終包含一個指向當前運行任務OS_TCB的指針。OSCtxSw（）的匯編代碼如下：

　　Void OSCtxSw（void）

　　{asm

　　{pshh //保存X寄存器

　　tsx

　　pshx

　　pshh

　　dx OSTCBCur //載入當前任務的TCB指針

　　pshx

　　ldx OSTCBCur:1 //載入TCB的第二個字節

　　pulh

　　pula

　　sta 0,x //保存當前堆棧指針

　　pula

　　sta 1,x

　　jsr OSTaskSwHook //調用用戶定義的接口函數

　　lda OSPrioHighRdy //設置OSPrioCur=OSPrioHighRdy

　　sta OSPrioCur

　　pshx

　　ldx OSTCBHighRdy:1

　　stx OSTCBCur:1

　　pulh

　　lda 0,x //載入堆棧指針

　　psha

　　ldx,1,x

　　pulh

　　txs

　　pulh //恢復索引寄存器內容

　　rti //中斷返回，切換任務

　　}}

（3）OSTickISR（）函數

在μC/OS-II中，當調用OSStart（）啟動多任務環境后，時鐘中斷的使用是非常重要的。在時鐘中斷程序中負責處理所有與定時相關的工作，如任務的延時、等待操作等等。在時鐘中斷中將查詢處于等待狀態的任務，判斷是否延時結束，否則將重新進行任務調度。

為GP32編寫的函數OSTickISR（）的代碼如下：

　　void OSTickISR（）void{

　　asm{

　　pshh

　　LDA T1SC

　　BCLR 7,T1SC //允許中斷嵌套

　　}

　　OsintEnter（）； /*標志進入中斷*/

　　OSTimeTick（）； /*調用時鐘節拍函數*/

　　OSlntExit（）； /*標志退出中斷*/

　　Asm{

　　Pulh

　　Rti

　　}}

和μC/OS-II中的其他中斷服務程序一樣，OSTickISR（）首先在被中斷任務堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調用OSIntEnter（）。μC/OS-II要求在中斷服務程序開頭調用OSIntEnter（），其作用是將記錄中斷嵌套層數的全局變量OSIntNesting加1。如果不調用OSIntEnter（），直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨后，OSTickISR（）調用OSTimeTick（），檢查所有處于延時等待狀態的任務，判斷是否有延時結束就緒的任務。在OSTickISR（）的最后調用OSIntExit（），如果在中斷中（或其他嵌套的中斷）有更高優先級的任務就緒，并且當前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit（）將進行任務調度。如果當有中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變任務的就緒狀態，OSIntExit（）將返回調用者OSTickISR（），最后OSTickISR（）返回被中斷的任務。

　　4.OS_CPU08.C文件

　　μC/OS-II的移植需要用戶在OS_CPU08.C中定義6個函數：

　　OSTaskStkInit（）

　　OSTaskCreateHook（）

　　OSTaskDelHook（）

　　OSTaskSwHook（）

　　OSTaskStatHook（）

　　OSTimeTickHook（）

OSTaskStkInit（）函數由任務創建函數OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）調用，用來初始化任務的堆棧。初始狀態的堆棧模擬發生一次中斷后的堆棧結構，按照中斷后的進棧次序預留各個寄存器存儲空間；而中斷返回地址指向任務代碼的起始地址。當調用OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）創建一個新任務時，需要傳遞的參數是：任務代碼的起始地址、參數指針（pdata）、任務堆棧頂端的地址、任務的優先級。堆棧初始化工作結束后，OSTaskStkInit（）返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate（）OSTaskCreateExt（）將指針保存在任務的OS_TCB中。

　　Void*OSTaskStklint（void（*task）（void*pd），void*pdata,void*ptos,INT16U opt）

　　{

　　INT16U *stk;

　　stk=（INT16U*）ptos; /*保存堆棧指針*/

　　*--stk=（INT16U）（task）； /保存程序計數器內容*/

　　*--stk=（INT16U）（0x00）； /初始化X和A寄存器內容*/

　　--stk=（INT16U）（0x00）； /*初始化CCR和H寄存器*/

　　return（（void*）stk）；

　　}

其余的幾個函數：OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook和OSTimeTickHook（）均由用戶自定義。

四、制作用戶自己的項目

在為內核編寫了上述與硬件相關的代碼以后，用戶就可以為自己的項目編寫實際的代碼了。在本例中，用戶任務共有兩個。任務1在初始化時鐘中斷以后，就進入了一人死循環。在這個循環里，任務1一方面以1s（秒）為周期改變并行I/O口PORTA第0個引腳的輸出電壓，另一方面每隔4s便向任務2發送1個信號。而任務2則始終等待任務1發來的信號，一旦收到信號，便改變并行I/O口PORTA第1個引腳的輸出電壓。具體的代碼如下：

　　/*****************************************

　　* EXE2.C

　　*******************************************/

　　#includehidef.h>

　　#include includes.h

　　Byte PORTA @0x0000; /*并口A地址$0000*/

　　Byte DDRA @0x0004; /*并口A方向寄存器地址$0004*/

　　Byte T1SC @0x0020; /*定時器控制寄存器地址$0020*/

　　Byte T1MODH@0x0023; /*定時器模式寄存器地址$0023*/

　　OS_EVENT *Semaphore；

　　#define TASK_STK_SIZE 64 /*任務堆棧大小64字節*/

　　INT8U Task1Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務1堆棧*/

　　INT8U Task2Stk[TASK_STK_SIZE]; /*定義任務2堆棧*/

　　Void Hardwareinit（void）；

　　Void Task1（void*pdata）

　　{int count=0;

　　/*int count=0;

　　/*初始化定時器*/

　　asm{

　　LDA #0x50

　　STA T1SC

　　LDHX #0x0333 //設定定時器間隔100ms

　　STHX T1MODH

　　CLI

　　}

　　for（；；）{

　　PORTA=0xFE;

　　OSTimeDly（5）； /*延時0.5s*/

　　PORTA|=0x01;

　　/*延時0.5s*/

　　DSTimeDly（5）；

　　Count++;

　　If（count= =4）{

　　OSSemPost（Semaphore）；

　　Count=0;

　　}

　　}}

　　void Task2（void *pdata）

　　{

　　Byte err;

　　For（；；）{

　　OSSemPend（Semaphore,0,err）；

　　PORTA=0xFD:

　　OSSemPend（Semaphore,0,err）；

　　PORTA|=0x02;

　　}

　　}

　　void main（void）{

　　Hardwarelnit（）； /*完成硬件的初始化工作*/

　　Oslint（）； /*初始化多任務環境*/

　　Semaphore=OSSemCreate（0）；

　　OSTaskCreate（Task1,（void*）0,（void*）Task1Stk

　　[TASK_STK_SIZE],10）；

　　OSTaskCreate（Task2,void*）0,（void*）Task2Stk

　　[TASK_STK_SIZE],9）；

　　OSStart（）；

　　}

在主程序main（）中，用戶必須先調用OSInit（），然后創建各個任務和信號量等，最后調用OSStart（），以啟動內核運行，開始正常的任務調度。

本例中盡量減小了對RAM的需求：假如中斷嵌套層數不超過三層，所需事件只有一個，即只需要一個事件控制塊；應用中對μC/OS-II提供的功能進行最大限度的裁剪，能不用的盡量不用。采用了上述措施后，μC/OS-II的RAM使用情況大致如下：μC/OC-II所使用的全局變量占用22字節，事件控制塊占用12字節。此外，當系統初始化時，還需要最小30字節的系統堆棧用于初始化TCB，并傳遞參數。以上為μC/OS-II中系統所必需的RAM，計64字節。

綜上所述，GP32的512字節RAM可分為8個64字節的RAM塊。如果運行4個任務，能留給應用程序的RAM也只剩下128字節了。如果在GP32上運行μC/OS-II，且不多于8個任務，則任務調度表可以再簡化，不需要調度64個任務，只調度8個任務就可以了。