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    μC/OS-II操作系統在各種處理器上的移植

    發布時間:2010-10-13 11:35    發布者:techshare
    關鍵詞: 操作系統 , 處理器 , 移植
    μC/OS-II操作系統是一種搶占式多任務、單內存空間、微小內核的嵌入式操作系統,具有高效緊湊的特點。它執行效率高,占用空間小,可移植性強,實時性能良好且可擴展性強。采用μC/OS-II實時操作系統,可以有效地對任務進行調度;對各任務賦予不同的優先級可以保證任務及時響應;采用實時操作系統,降低了程序的復雜度,方便程序的開發和維護。μC/OS-11非常適合應用在一些小型的嵌入式產品應用場合,在家用電器、機器人、工業控制、航空航天、軍事科技等領域有著廣泛的應用。

    單片機、ARM、FPGA與μC/OS-II操作系統相結合,實現一些具體功能,是目前嵌入式應用中比較常見的。在這些應用中,基礎性的工作就是操作系統的移植。本文選取使用較多的51單片機、LPC2210、NiosII三種處理器進行介紹。

    1 μC/OS-II操作系統移植條件

    μC/OS-II操作系統的大部分源代碼都是用C語言書寫的,但仍需使用匯編語言來完成一些和處理器相關的操作,例如讀寫處理器、寄存器時只能使用匯編語言來實現。因此,將μC/OS-II操作系統移植到目標處理器上,需要從硬件和軟件兩方面來考慮。

    硬件方面,目標處理器需滿足以下條件:

    ①處理器的C編譯器能產生可重入代碼;

    ②用C語言可以開/關中斷;

    ③處理器支持中斷,并且能夠產生定時中斷(通常在10~1 000 Hz之間);

    ④處理器能夠支持容納一定量數據的硬件堆棧;

    ⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲到堆;騼却嬷械闹噶。

    軟件方面,主要關注的是一些與處理器相關的代碼移植,其分布在OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM這3個不同的文件中。

    2 目標處理器硬件支持

    51單片機、LPC2210、NiosII三種處理器在硬件方面均能滿足μC/OS-II操作系統的移植要求。

    51單片機:選擇Keil公司的集成開發環境作為開發工具,因為該集成開發環境的C51編譯器能產生可重入型代碼,且用C語言就可以開/關中斷。同時具有一定數量的堆棧和操作相關寄存器的指令。

    LPC2210:采用ARM7微控制器可以滿足上述②、④、⑤,而ADS1.2的C編譯器可以滿足①、③的要求。

    NiosII處理器:Nios處理器可以配置成最多支持64個中斷,包括外部硬件中斷、內部中斷以及TRAP(調試中斷)。Nios II處理器可以配置使用32位內部定時器,通過用軟件控制寫入幾個控制寄存器的內容來獲得定時工作,與一般的定時器工作原理相同,可以產生定時中斷。Nios處理器可以外接存儲器。以使用的DE2開發板為例,外接512 KB SRAM資源,可提供足夠的數據硬件堆棧。NioslI 8.0 IDE采用GNU編譯器,支持C/C++的編譯、鏈接產生重入代碼,允許在C語言中嵌入匯編語言。

    3 軟件移植過程

    3.1 OS_CPU.H的實現

    OS_CPU.H文件包括了用#define語言定義的與處理器相關的常數、宏以及數據類型。

    在上述三種處理器采用的不同編譯器中,數據類型的定義是相同的,在此不做具體介紹。

    在OS_CPU.H中定義與處理器相關的宏,主要是進入臨界區的OS_ENTER_CRITICAL()和退出臨界區的OS_EXIT_CRITICAL()。

    在Keil編譯器中,EA是總中斷。

    #define OS_ENTER_CRITICAL() EA="0";//關中斷

    #define OS_EXIT_CRITICAL() EA="1";//開中斷

    在ADS編譯器中定義為軟件中斷函數,并編寫軟件中斷處理代碼實現開/關中斷。

    _swi(0x00)viod OS_TASK_SW(viod);//任務級任務切換函數

    _swi(0x00)viod OS_ENTER_CRITICAL(viod);//關中斷

    _swi(0x00)viod OS_EXIT_CRITICAL(viod); //開中斷

    在NiosII 8.0 IDE編譯器中:

    #define OS_ENTER_CRITICAL() asm(“PFX 8\n WRCTL%g0;”) //關中斷

    #define OS_EXIT_CRITICAL() asm(“PFX 9\n WRC TL%g 0;”) //開中斷

    堆棧的增長方向通過設置OS_STK_GROWTH為0或者1來確定。51單片機中只能設置為0,表示堆棧是從下往上增長的。LPC2210中則可以設置成0或者1。NiosII中則只能設置成1,表示堆棧是從上往下增長的。

    3.2 OS_CPU_C.C的實現

    OS_CPU_C.C中,主要應改寫堆棧初始化函數OS-TaskStkIint()。必須根據移植時統一定義的任務堆棧結構進行初始化,其他9個鉤子函數只需說明即可。也可根據移植時用戶自己的需要,編寫相應的操作代碼。

    以LPC2210為例,堆?臻g從高到低依次存放著PC,LR,R12,R11,…,R1,R0,CPSR,OsEnterSum。每個任務都有獨立的OsEnterSum,在任務切換時保存和恢復各自的OsEnterSum值。各個任務開/關中斷的狀態可以不同,這樣實現了開/關中斷的嵌套。



    關于51單片機和NiosII處理器的這部分移植,請參看參考文獻。

    3.3 OS-CPU-A.S的實現

    這部分需要對處理器的寄存器進行操作,所以必須用匯編語言編寫。μC/OS-II移植要求用戶編寫4個簡單的匯編語言函數:OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()、OSTickISR()。

    OSStartHighRdy()的任務是進行任務調度和切換;OSCtxSw()的任務是強制CPU進行寄存器和程序計數器的切換;OSIntCtxSw()的任務是在中斷返回時進行任務切換;OSTickISR()是時鐘節拍中斷服務程序,用來實現時間的延遲和超時功能。

    以OSStartHighRdy()任務調度和切換函數為例,介紹3種處理器移植代碼。

    (1)51單片機

    OSStartHighRdy:







    結 語

    51單片機、LPC2210,NiosII三種處理器在目前的嵌入式應用方面有著廣闊的市場前景。將μC/OSs-II操作系統移植到這三種以及其他處理器上,能夠更好地保證系統運行時的穩定性和實時性,而且該操作系統代碼少,易于掌握和移植。

    本文所介紹的μC/OS-II操作系統在3種處理器上的移植是筆者在實際學習過程中,進行的梳理和小結,對初學者有一定的參考價值。
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