在MC68HC908GP32上移植μC/OS-II
發布時間：2010-11-15 12:43
發布者：eetech
關鍵詞：
MC68HC908GP32上 , 移植
|
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。ΜC/OS-II最初是為摩托羅拉68HC11系列單片機設計的。68HC11系列單片機有外部總線，可以外接RAM和ROM；而沒有外部總線8位MCU。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 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�；騼却嬷械闹噶�。 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。所以，所要移植的系統中必須有足夠的RAM資源。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。 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。GP32的用戶手冊可以在摩托羅拉公司的主頁上下載，http://www.motorola.com。 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。但需要提醒的是，為了節省堆�？臻g而采用的限制中斷嵌套層數的方法將影響系統的實時性能。所以，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_MAX_QS 0 /*不使用消息隊列功能*/ #define OS_MAX_TASKS 3 /*共有3個任務（包括空閑任務）*/ #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_Q_EN 0 /*不包括消息隊列部分代碼*/ #define OS_SEM_EN 1 /*定義包括信息量相關代碼*/ #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_TASK_DEL_EN 0 /*不包括刪除任務函數代碼*/ #define OS_TASK_SUSPEND_EN 0 /*不包括任務掛起和喚醒函數代碼*/ #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 char BOOLEAN; typedef unsigned char INT8U; typedef signed char INT8S; 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 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。 （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。 （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。由于任務創建時堆棧的結構就是按中斷后的堆棧結構初始化的，執行RET指令后就切換到新任務（有關μC/OS-II的任務切換機制，請參考系列講座的第2講）。對于OSStartHighRdy的代碼，我們采用在C中嵌入匯編的方法編寫。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()。在μC/OS-II中，如果任務調用了某個函數，而該函數的執行結果可能造成系統任務新調度（例如試圖喚醒一個優先級更高的任務），則在函數的末尾會調用OSSched()；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 }} （4）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。注意：如果進行了任務調度，OSIntExit()將不同志返回調用者，而是用新任務的堆棧中的寄存器數值恢復CPU現場，然后用IRET實現任務切換。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() 實際需要定義的只有OSTaskStkInit()函數，其他5個函數需要聲明，但不一定有實際內容。這5個函數都是用戶定義，所以OS_CPU08.C中只有定義，沒有給出代碼。如果用戶需要使用這些函數，請將文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設為1，設為0表示不使用這些函數。 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。OSTaskCreateExt（）還需要一些其他參數，但與OSTaskStkinit（）沒有關系。OSTaskStkInit()只需要以上提到的3個參數（task、pdata和ptos）。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 *******************************************/ #include＜hidef.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。 假設給每個任務分配64個字節的堆�？臻g，其中用于任務控制塊17字節，允許三層中斷嵌套要用18字節，任務切換時的棧結構要用8字節。由于程序是用C語言編寫的，確切的子函數嵌套調用層數是不知道的。如果不使用本身需要緩沖區的C語言函數，如printf()等，任務中程序調用所產生的嵌套層數不超過10層，則64字節中還能分析給任務局部變量的空間只剩下1字節了。這是能分配任務的最小RAM空間了。 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。 |
網友評論