使用ADS移植uC/OS-II的實例分析

　　摘 要： 本文介紹了使用 arm 公司提供的 ads 開發工具，進行移植 uc/os-ii 的工作。結合基于 strongarm 評估板的硬件結構，對移植工作中的若干要點做了詳細分析。最后，給出了移植體會和程序技巧分析。

　　關鍵詞： ads uc/os-ii strongarm 移植

　　一、 選擇開發工具

　　在嵌入式系統設計中，開發工具的選取是一個重要的考慮因素，通常這是與開發項目的需求和應用背景相關。一般嵌入式開發工具包含用于目標系統的交叉編譯器、連接器、調試器以及輔助處理用的二進制文件分析工具等。

　　目前可以用來編譯鏈接產生 arm 處理器執行代碼的開發工具主要有如下幾類：

　　1. arm 公司提供的 arm developer suite 集成開發環境

　　主要工具有 armasm、armcc、armlink、fromelf 等。

　　2. gnu 組織提供的 tool chain for arm

　　主要工具有 arm-elf-gcc、arm-elf-gdb、arm-elf-objcopy 等

　　3. microsoft公司提供的 embedded visual tools

　　主要工具有 clarm、clthumb、c2_arm、link、lib等

　　這里我們選用 arm 公司提供的 ads 下的工具集來編譯我們的程序和鏈接目標代碼并最終生成可執行的二進制映像。這里介紹一下主要會用到的一些工具：

　　armasm.exe ： 匯編文件編譯器

　　armcc.exe ： c 文件編譯器

　　armlink.exe ： 目標文件連接器

　　fromelf.exe ： 用于將 axf 或者 elf 格式轉換成其他格式的文件，例如二進制映像。

　　armprof.exe ： 對調試過程中生成的 profiling 記錄文件做分析用的工具軟件

　　二、 存儲空間分配

　　1. 存儲器組織

　　strongarm 存儲器組織主要分4個部分：

　　1) 0h0000 0000 ~ 0h3fff ffff

　　用于靜態存儲器 rom、sram、flash

　　2) 0h4000 0000 ~ 0h8fff ffff

　　用于靜態存儲器和各種 i/o 器件

　　3) 0h8000 0000 ~ 0hbfff ffff

　　包括所有片內寄存器，主要用于外圍控制、系統控制、存儲擴展、lcd和dma。

　　4) 0hb000 0000 ~ 0hffff ffff

　　用于動態存儲器，dram、sdram等

　　2. 堆棧空間分配

　　| 0xc2000000 -------- 系統堆棧從 0xc2000000 開始向下增長

　　| 其中 0xc2000000 為 svc 態的堆棧棧底

　　| 0xc1000000 為 irq 態的堆棧棧底

　　| sdram (32m)

　　|

　　| 0xc0000000 -------- rw-base 這里是程序的 rw 段，包括 uc/os-ii 的任務堆棧空間

　　|

　　:

　　|

　　| 0x02000000 --------

　　|

　　| flash rom (32m)

　　| 從 0x00000000 開始依次放置跳轉指令，即異常向量表

　　| 0x00000000 -------- ro-base 這里是程序的 text 段和 ro 段

　　三、 啟動代碼

　　由于板子的 0x0 地址處是 32m 的flash rom，因此在板子加電后，會從 flash 中順序執行啟動代碼。為了能使得 uc/os-ii 運行，啟動代碼需要完成如下工作：

　　1. 設置 異常向量表，即在 0x0 – 0x1c 位置放置7條跳轉指令(其中 0x14 為空)

　　2. 分別實現每種異常的處理程序，其中包括 reset_handler、undefined_handler、swi_handler、prefetch_handler、abort_handler、irq_handler、fiq_handler。

　　3. 程序從 reset_handler 進入后，需要首先進行相關硬件的初始化操作，例如 初始化sdram、cpu speed、interrupt controller、uart、timer 等。

　　4. 建立每種異常狀態下的系統堆棧，為了簡單起見可以只在 svc 態 和 irq 態下的建立堆棧：setup_svc_stack ，setup_irq_stack。

　　5. 強制 arm 處理器狀態轉換為 svc 管理態。

　　6. 跳轉到uc/os-ii 代碼的 main 入口，實際上是編譯鏈接后產生的 __main 入口。

　　四、 時鐘與中斷處理

　　1. 時鐘控制邏輯

　　在上圖中，有4種和系統時鐘相關寄存器，它們的含義如下：

　　l oscr: 一個自動遞增計數的 32 位計數器。

　　l osmr3-0: 4 個 32 位的匹配寄存器，當 oscr 的值匹配時產生中斷。

　　l ossr: 狀態寄存器，當 oscr 和 osmr 匹配時，會對 ossr 做標志。

　　l oier: 使能寄存器，表示當匹配發生時，允許在 ossr 設置一個標識位。

　　oscr 在自動累加的過程中，與osmr里面設定的那些匹配寄存器進行匹配，發現有匹配的事件時，就會對 ossr 中的相應位置設一個標志位“1”，表示oscr與對應的osmr 發生了匹配。當然這個匹配發生的前提是發生匹配的那個osmr在oier中的相應位被使能，否則osmr中的設置將不起作用。

　　2. 系統時鐘初始化流程

　　uc/os-ii 中創建的第一個任務將負責啟動時鐘節拍，時鐘的初始化設置流程如下：

　　1) 設置 osmr0 = x ，表示 初始化 osmr0，即當計數器為x時發生匹配

　　2) 設置 ossr = 0xf ，表示 清除所有已經發生的匹配，寫“1”清除

　　3) 設置 oier = oier_eo ，表示 使能 osmr0 來產生匹配

　　4) 設置 oscr = 0 ，表示 初始化計數器的開始值 為 0

　　3. 系統時鐘中斷復位

　　1) 清除 ossr 中的相應位，即向發生匹配的osmr的那個對應位寫“1”

　　2) 設置 oscr = 0 ，表示 繼續初始化計數器的值為 0

　　4. 中斷控制器相關的寄存器

　　l icpr: 中斷標示寄存器，表示了當前系統正處于激活狀態的中斷源。

　　l icmr: 中斷屏蔽寄存器，用來屏蔽相應位的中斷。

　　l iclr: 中斷級別設置寄存器，設定報告中斷的級別是 irq 或者是 fiq 。

　　l icip: irq 級別的中斷源寄存器，用來標識 irq 中斷發生的源設備。

　　l icfp: fiq 級別的中斷源寄存器，用來標識 fiq 中斷發生的源設備。

　　5. 中斷控制器初始化流程

　　1) 設置 icmr 屏蔽位為不屏蔽時鐘中斷 osmr0 (相應位寫“1”)

　　2) 設置 iclr 為都報告為 irq 級別(所有位寫“0”)

　　五、 移植工作總結

　　1. 難點分析

　　移植 uc/os-ii 到 strongarm 的芯片上，基本上和移植到 arm7 的芯片例如s3c4510，at91x等工作類似，因為所有的arm處理器都共享arm通用的基礎體系結構，這使得移植工作變得相對簡單，其中絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.s 文件的移植，這個文件的實現集中體現了所要移植到處理器的體系結構和uc/os-ii 的移植原理;在這個文件里，最困難的工作主要是在 osintctxsw 和 ostickisr 這兩個函數的實現上。因為它們的實現是和移植者的移植思路以及相關硬件定時器、中斷寄存器的設置有關。在實際的移植工作中，這兩個地方也是比較容易出錯的地方。

　　osintctxsw 最重要的作用就是它完成了在中斷isr中直接進行任務切換，從而提高了實時響應的速度。它發生的時機是在 isr 執行到 osintexit 時，如果發現有高優先級的任務因為等待的 time tick 到來獲得了執行的條件，這樣就可以馬上被調度執行，而不用返回被中斷的那個任務之后再進行任務切換，因為那樣的話就不夠實時了。

　　實現 osintctxsw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過調整 sp 堆棧指針的方法，根據所用的編譯器對于函數嵌套的處理，通過精確計算出所需要調整的 sp 位置來使得進入中斷時所作的保存現場的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數嵌套內部發生任務切換，使得高優先級的任務能夠最快的被調度執行。但是這個辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數的設置相關，需要較多技巧。

　　另一種是設置需要切換標志位的方法，在 osintctxsw 里面不發生切換，而是設置一個需要切換的標志，等函數嵌套從進入 osintexit => os_enter_critical() => osintctxsw() => os_exit_critical() => osintexit退出后，再根據標志位來判斷是否需要進行中斷級的任務切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計算，但是從實時響應上不是最快，不過這種方法實現起來比較簡單。

　　在中斷態下進行任務切換，需要特別說明的一個問題是如何獲得被中斷任務的 lr_svc 。因為進入中斷態后，lr 變成了lr_irq ，原來任務的 lr_svc 無法在中斷態下獲得，這樣要得到 lr_svc ，就必須在中斷 isr 里面進行一次 cpu mode 強制轉換，即對 cpsr 賦值為0x000000d3 ，只有返回到 svc 態之后才能得到 原來任務的 lr ，這個對于任務切換很重要。還有一個需要留意的問題是在強制 cpsr 變成 svc 態之后，spsr 也會相應地變成 spsr_irq ，這樣就需要在強制轉變之前保存 spsr ，也就是被中斷任務中斷前的 cpsr 。

　　2. 移植中使用的編程技巧

　　ads 編譯器在編譯 c 語言的程序時，如果程序中使用了 main 函數，則編譯器將自動添加如下代碼，完成初始化堆棧和c庫等工作，工作流程如下：

　　1> 將執行文件中的 ro 段和 rw 段從 load address 復制到 execution address

　　2> 初始化 zi 區域，用 0 來初始化變量

　　3> 跳轉到 __rt_entry 執行如下 4 個調用

　　3.1> 調用 __rt_statckheap_init ，建立程序的堆和棧

　　3.2> 調用 __rt_lib_init ，初始化程序用到的 c 庫，并為 main 傳遞參數

　　3.3> 調用 main ，即用戶程序的入口

　　3.4> 調用 exit

　　因為系統復位后，在啟動代碼中已經設置了系統堆棧，同時也不需要使用c庫，因此可以從 __rt_entry 處直接跳轉到 uc/os-ii 的代碼中，即直接執行 main 函數，可以用新的 __rt_entry 來作為鏈接的目標入口。

　　import main

　　export __rt_entry

　　__rt_entry

　　b main

　　這樣在啟動代碼的最后，加入一條跳轉語句：

　　bl __main

　　__main 入口是用戶程序執行的真正入口，我們利用 armcc 編譯 c 里面的 main 入口以求得到 1> 和 2> 的代碼，使得可以支持全局變量。否則的話，必須自己來實現全局變量的初始化或者把這些初始化操作放到函數內部來實現。

　　另外一個非常有用的編程技巧是通過串口實現自己的 printf 輸出。 如果使用armcc編譯器的 semihosting 的話，會把 printf 通過 target 的 swi 0x123456 輸出。如果已經實現的 serial_putchar 之類的函數，那么可以用它來實現 fputc 接口，也就是低級的輸出函數，這樣就可以使用 printf 來輸出了，詳細的做法在 ads 安裝目錄下面的文檔里可以找到，這里就不再贅述。