uC/OS-II實時操作系統移植的一般方法和技巧

引言

實時操作系統的使用，能夠簡化嵌入式系統的應用開發，有效地確保穩定性和可靠性，便于維護和二次開發。

μC/OS-II是一個基于搶占式的實時多任務內核，可固化、可剪裁、具有高穩定性和可靠性，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。

在μC/OS-II官方的主頁上可以查找到一個比較全面的移植范例列表。但是，在實際的開發項目中，仍然沒有針對項目所采用芯片或開發工具的合適版本。那么，不妨自己根據需要進行移植。

本文則以在TMS320C6711DSP上的移植過程為例，分析了μC/OS-II在嵌入式開發平臺上進行移植的一般方法和技巧。μC/OS-II移植的基本步驟

在選定了系統平臺和開發工具之后，進行μC/OS-II的移植工作，一般需要遵循以下的幾個步驟：

●深入了解所采用的系統核心
●分析所采用的C語言開發工具的特點
●編寫移植代碼
●進行移植的測試
●針對項目的開發平臺，封裝服務函數
（類似80x86版本的PC.C和PC.H）

系統核心

無論項目所采用的系統核心是MCU、DSP、MPU，進行μC/OS-II的移植時，所需要關注的細節都是相近的。

首先，是芯片的中斷處理機制，如何開啟、屏蔽中斷，可否保存前一次中斷狀態等。還有，芯片是否有軟中斷或是陷阱指令，又是如何觸發的。

此外，還需關注系統對于存儲器的使用機制，諸如內存的地址空間，堆棧的增長方向，有無批量壓棧的指令等。

在本例中，使用的是TMS320C6711DSP。這是TI公司6000系列中的一款浮點型號，由于其時鐘頻率非常高，且采用了超常指令字（VLIW）結構、類RISC指令集、多級流水等技術，所以運算性能相當強大，在通信設備、圖像處理、醫療儀器等方面都有著廣泛的應用。

在C6711中，中斷有3種類型，即復位、不可屏蔽中斷（NMI）和可屏蔽中斷（INT4-INT15）。可屏蔽中斷由CSR寄存器控制全局使能，此外也可用IER寄存器分別置位使能。而在C6711中并沒有軟中斷機制，所以μC/OS-II的任務切換需要編寫一個專門的函數實現。

此外，C6711也沒有專門的中斷返回指令、批量壓棧指令，所以相應的任務切換代碼均需編程完成。由于采用了類RISC核心，C6711的內核結構中，只有A0-A15和B0-B15這兩組32bit的通用寄存器。

C語言開發工具

無論所使用的系統核心是什么，C語言開發工具對于μC/OS-II是必不可少的。

最簡單的信息可以從開發工具的手冊中查找，比如：C語言各種數據類型分別編譯為多少字節；是否支持嵌入式匯編，格式要求怎樣；是否支持“interrupt”非標準關鍵字聲明的中斷函數；是否支持匯編代碼列表(list)功能，等等。

上述的這樣一些特性，會給嵌入式的開發帶來很多便利。TI的C語言開發工具CCSforC6000就包含上述的所有功能。

而在此基礎上，可以進一步地弄清開發工具的一些技術細節，以便進行之后真正的移植工作。

首先，開啟C編譯器的“匯編代碼列表(list)”功能，這樣編譯器就會為每個C語言源文件生成其對應的匯編代碼文件。

在CCS開發環境中的方法是：在菜單“/Project/Buildoptions”的“Feedback”欄中選擇“Interlisting：Opt/CandASM(-s)”；或者，也可以直接在CCS的C編譯命令行中加上“-s”參數。

然后分別編寫幾個簡單的函數進行編譯，比較C源代碼和編譯生成的匯編代碼。例如：

voidFUNC_TEMP(void)
{
Func_tmp2();//調用任一個函數
}

在CCS中編譯后生成的ASM代碼為：
.asgB15,SP//宏定義
_FUNC_TEMP:
STWB3,*SP--(8)//入棧
NOP2
CALL_Func_tmp2//-----------
MVKLBACK,B3//函數調用
MVKHBACK,B3//-----------
NOP3
BACK:LDW*++SP(8),B3//出棧
NOP4
RETB3//函數返回
NOP5

由此可見，在CCS編譯器的規則中，B15寄存器被用作堆棧指針，使用通用存取指令進行棧操作，而且堆棧指針必須以8字節為單位改變。

此外，B3寄存器被用來保存函數調用時的返回地址，在函數執行之前需要入棧保護，直到函數返回前再出棧。

當然，CCS的C編譯器對于每個通用寄存器都有約定的用途，但對于μC/OS-II的移植來說，了解以上信息就足夠了。

最后，再編寫一個用“interrupt”關鍵字聲明的函數：

interruptvoidISR_TEMP(void)
{
inta;
a=0;
}
生成的ASM代碼為：
_ISR_TEMP:
STWB4,*SP--(8)//入棧
NOP2
ZEROB4//---------
STWB4,*+SP(4)//a=0
NOP2//----------
BIRP//中斷返回
LDW*++SP(8),B4//出棧
NOP4

與前一段代碼相比，對于中斷函數的編譯，有兩點不同：

●函數的返回地址不再使用B3寄存器，相應地也無需將B3入棧。（IRP寄存器能自動保存中斷發生時的程序地址）

●編譯器會自動統計中斷函數所用到的寄存器，從而在中斷一開始將他們全部入棧保護——例如上述程序段中，只用到了B4寄存器。

編寫移植代碼

在深入了解了系統核心與開發工具的基礎上，真正編寫移植代碼的工作就相對比較簡單了。

μC/OS-II自身的代碼絕大部分都是用ANSIC編寫的，而且代碼的層次結構十分干凈，與平臺相關的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H這三個文件當中。

在移植的時候，結合前面兩個步驟中已經掌握的信息，基本上按照《嵌入式實時操作系統μC/OS-II》一書的相關章節的指導來做就可以了。

但是，由于系統核心、開發工具的千差萬別，在實際項目中，一般都會有一些處理方法上的不同，需要特別注意。以C6711的移植為例：

●中斷的開啟和屏蔽的兩個宏定義為：
#defineOS_ENTER_CRITICAL()Disable_int()
#defineOS_EXIT_CRITICAL()Enable_int()

Disable_int和Enable_int是用匯編語言編寫的兩個函數。在這里使用了控制狀態寄存器(CSR)的一個特性——CSR中除了控制全局中斷的GIE位之外，還有一個PGIE位，可用于保存之前的GIE狀態。

因此在Disable_int中先將GIE的值寫入PGIE，然后再將GIE寫0，屏蔽中斷。而在Enable_int中則從PGIE讀出值，寫入GIE，從而回復到之前的中斷設置。

這樣，就可以避免使用這兩個宏而意外改變了系統的中斷狀態——此外，也沒有使用堆棧或局部變量，比原作者推薦的方法要好。

●任務的切換：
前文說過，C6711中沒有軟中斷機制，所以任務的切換需要用匯編語言自行編寫一個函數_OSCtxSw來實現，并且

#defineOS_TASK_SW()OSCtxSw()
在C6711中需要入棧保護的寄存器包括A0-A15、B0-B15、CSR、IER、IRP和AMR，這些再加上當前的程序地址構成一個存儲幀，需要入棧保存。

_OSCtxSw函數中，需要像發生了一次中斷那樣，將上述存儲幀入棧，然后獲取被激活任務的TCB指針，將其存儲幀的內容彈出，從而完成任務切換。

需要特別注意的是，在這里OS_TASK_SW是作為函數調用的，所以如前文所述，調用時的當前程序地址是保存在B3寄存器中的，這也就是任務重新激活時的返回地址。

●中斷的編寫：
如前文所述，如果用“interrupt”關鍵字聲明函數，CCS在編譯時，會自動將該函數中使用到的寄存器入棧、出棧保護。
但是，這會導致各種中斷發生時，出入棧的內容各不相同。這對于μC/OS-II是會引起嚴重錯誤的。因為μC/OS-II要求中斷發生時的入棧操作使用和發生任務切換時完全一樣的存儲幀結構。
因此，在移植時、基于μC/OS-II進行開發時，都不應當使用“interrupt”關鍵字，而應用如下結構編寫中斷函數：

voidOSTickISR(void)
{
DSP_C6x_Save();//服務函數，入棧
OSIntEnter();
if(OSIntNesting==1)//v2.51版本新增加
{
OSTCBCur->OSTCBStkPtr
=(OS_STK*)DSP_C6x_GetCurrentSP();//服務函數
}//獲取當前SP的值
//允許中斷嵌套則在此處開中斷
OSTimeTick();
OSIntExit();
DSP_C6x_Resume();//服務函數，出棧
}
DSP_C6x_Save和DSP_C6x_Resume是兩個服務函數，分別完成中斷的出、入棧操作。它們與OS_TASK_SW函數的區別在于：中斷發生時的當前程序地址是自動保存在IRP寄存器的，應將其作為任務返回地址，而不再是B3。此外，DSP_C6x_Resume是一個永遠不會返回的函數，在將所有內容出棧后，它就直接跳轉回到中斷發生前的程序地址處，繼續執行。

進行移植的測試

在編寫完了所有的移植代碼之后，就可以編寫幾個簡單的任務程序進行測試了，大體上可以分三個步驟來進行，相關資料比較詳盡，這里就不多作贅述了。

封裝服務函數

最后這個步驟，往往是容易被忽視的，但對于保持項目代碼的簡潔、易維護有很重要的意義。
μC/OS-II的原作者強烈建議將源代碼分路徑進行存儲，例如本文例子中的所有源代碼就應按如下路徑結構存儲：
uCOS-II
├─SOURCE//平臺無關代碼
│OS_CORE.C
│......
└─TI_C6711//系統核心
├─CCS//開發工具
│OS_CPU.H
│OS_CPU_A.ASM
│OS_CPU_C.C
│
├─DSP_C6x_Service//服務函數
│DSP_C6x_Service.H
│DSP_C6x_Service.ASM
│
└─TEST//具體的開發項目代碼
OS_CFG.H
INCLUDES.H
TEST.C......

如上，DSP_C6x_Service中的服務函數，類似于原作者提供的80x86版本中的PC.C和PC.H文件。在本文的例子中，服務函數則包括了上文提及的中斷相關函數，以及系統初始化函數DSP_C6x_SystemInit()和時鐘初始化函數DSP_C6x_TimerInit()等。
而具體的開發項目代碼，則可以分別在“/TI_C6711”路徑下新建自己的目錄，就如同移植測試的“TEST”項目，而無需再關注μC/OS-II的源代碼和服務函數。
如此，就可以避免不必要的編譯錯誤，也便于開發項目的維護。

關于μC/OS-II系列軟件版權的說明

Micrium 公司產品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統應用方面的產品，并對其軟件擁有知識產權。Micrium花費了大量的時間和財力為嵌入式領域提供高質量的軟件產品。所有上述產品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產品不是免費軟件，也不是開放源碼的軟件，因此，不能免費使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。

開發和研究者可以通過購買Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個人和學校學習使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關的商業目的行為，必須購買使用μC/OS-II及系列產品的商業授權，包括芯片/單板/系統廠家的任何參考設計，教學設備和最終的產品，如果沒有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網站（www.bmrtech.com）上面中有明確規定。

Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷售模式與μC/OS-II不同，如果沒有購買使用授權，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產品的設計，培訓，教學和生產。

μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權方式有：單個產品、產品線（系列）、按照CPU 劃分的產品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數目收取費用的，相對起傳統的RTOS 動輒2-3萬美圓的開發費用和每塊單板的使用費（根據數量從數百到幾個美圓），μC/OS-II及系列產品是采用一次性的收費方式，應該只是大約相當于傳統RTOS 的10-20% 的總體費用。