μC／OS-II在LPC213X上的多種移植方案
發布時間：2010-11-17 12:13
發布者：designer
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μC／OS-II是可移植、適用于對安全性要求苛刻的剝奪型實時多任務嵌入式系統，簡單易學，在工程應用和嵌入式系統教學中很受歡迎。LPC213X是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的32位RISC微處理器，也適合于ARM學習開發平臺和工程應用。 1 與μC／OS-II移植工作相關的主要特性 ARM體系結構分為7種運行模式，ARM和Thumb兩種工作狀態。LPC213X的編程模型就是標準的ARM7體系結構；同時LPC213X也具備ARM的標準異常模式IRQ和FIQ。稍具特色的是其VIC向量中斷控制器。分別對IRQ、FIQ、非向量中斷和軟件中斷進行了分類，具有對32個中斷輸入的可編程分配機制。這對于μC／OS-II的移植至關重要。 芯片內部的RTC實時時鐘可由獨立的32 MHz晶振或基于VPB時鐘的可編程預分頻提供，作為實時系統的時鐘節拍來源。 2 μC／OS-II移植的主要工作 移植工作分為編譯器相關和處理器相關兩部分。前者主要涉及數據類型定義、代碼格式、頭文件組織、條件編譯選項及混合編程等；后者主要涉及開關中斷、堆棧方向、任務棧結構初始化、任務調度、中斷控制和響應、時鐘節拍處理和高優先級任務執行等。 主要是編寫3個文件：OS_CPU．H、OS_CPU_C．C和OS_CPU_A．S。其中l主要包含以下幾個重要函數；OSTaskStkInit()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()和OSTickISR()等。另外，還須編寫配置文件、引導及初始化代碼和調試等。 3 兩個可行的移植方案 針對ARM所具有的7種不同運行模式，移植μC／OS-II系統時采用的處理器模式方案是多樣的。例如，可以讓系統運行在SVC管理模式，SWI軟中斷也用SVC模式，其他為異常模式；也可以使μC／OS-II運行在SYS系統模式；還可以使μC／OS-Il運行于用戶模式，任務或中斷切換時將其從SVC模式或IRQ、FlQ模式切換到SYS模式處理堆棧。在此形成以下兩種方案，并結合移植過程進行簡要分析。 方案一：系統運行于SVC管理模式，異常運行于異常模式。 ①開關中斷。設置這種方案中OS_CRITICAL_METHOD為3，則開中斷過程為先保存CPSR寄存器值到RO，通過設置CPSR6、CPSR7兩位禁止FIQ和IRQ，關中斷則恢復原先開中斷時保存在R0中的CPSR。 ②任務切換。因為非異常任務都運行在SVC模式，所以任務切換要做的只是保存舊任務的寄存器狀態到堆棧，并且恢復新任務的堆棧狀態到寄存器當中，相關函數為OSCtxSw()。要注意在這里上下文切換中無須對SPSR負責，因為SPSR是備份CPSR寄存器，只有當模式切換從FIQ、IRQ模式退出時才發生作用。換句話講，SPSR總是在中斷禁止時才發生作用。 ③中斷級任務切換和相應中斷機制。中斷異常分為FIQ和IRQ異常。IRQ的中斷級任務切換過程OS_CPU_IRQ_ISR()如圖1所示。 由圖1可知，該函數作為μC／OS-II系統的中斷調度函數，進入中斷IRQ模式后立即返回SVC模式保存原先任務狀態；再回到IRQ執行用戶級中斷處理代碼OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()；完成后返回SVC模式運行最高優先級任務。 LPC213X具有VIC向量中斷控制器，把所有中斷分為FIQ、向最中斷和非向量中斷。FIQ從中斷向量表處開始處理程序，直接在用戶中斷處理代碼OS_CPU_FTQ_ISR_Handler()里調用中斷處理程序；而向量中斷IRQ在響應時會在VICVectAddr(0xFFFFF030)寄存器上出現該中斷處理程序的首地址。所以作為μC／OS-II的IRQ的用戶中斷處理代碼，必須進行如下處理： ④中斷向量表。在該方案的中斷向量表中，FIQ和IRQ中斷向量填寫的是程序跳轉指令。其中FIQ跳到OS_CPU_FIQ_ISR()，IRQ跳到OS_CPU_IRQ_ISR()。 ⑤時鐘節拍的產生。μC/OS-II時鐘節拍需要lO～100ms一次的精確間隔。LPC213X使用11 MHz的外部晶振，外設時鐘與系統時鐘頻分比設為l，而RTC設置外設時鐘為時鐘源，然后把Timer0作為向量中斷IRQ，編寫時鐘中斷處理程序實現時鐘節拍。 方案二：系統運行于SYS系統模式,異常服務程序處理在SYS系統模式下執行，軟中斷處理在管理模式下執行。 ①開關中斷。該方案下OS_CRITICAL_METHOD為2，具體過程不直接從匯編代碼實現，而是通過軟件中斷SWI系統服務來實現。開關中斷在SVC管理模式下進行，因為ARM決定CPSR可以在任意模式下被訪問。 ②任務切換。任務切換包括任務級調度切換和中斷處理程序調度切換。任務級切換采用軟中斷SWI方式實現，需要注意的是此時SWI中斷處理程序并不返回，所以每次SWI中斷一開始就重新初始化SVC管理模式的堆棧地址空間，否則會造成內存泄漏或溢出。其流程如圖2所示。 圖2中，第一步為軟件中斷通用處理過程，是每一個軟件中斷都必須運行的代碼；而后幾步為任務調度所要做的代碼，具體調度由OSCtxSw實現上下文切換。整體利用宏OS_TASK_SW()實現，在OS_CPU.H中定義該宏為軟中斷，并分配中斷號0。 ③中斷級任務切換。根據LPC213X處理器的VIC控制特點，采用前后臺系統的傳統處理方法進行中斷處理程序調用，只是每個中斷處理程序都加上相同的任務上下文切換相關代碼，這些代碼采用宏匯編的方法實現。具體流程如圖3所示。從圖中可以看出，保存上下文和恢復就緒任務都是在IRQ模式下進行的，而用戶級處理程序在SYS模式下進行的，與前一種方案剛好相反。但是，這樣設計中斷調度并利用宏匯編實現使得當系統中斷處理調用較多時重復代碼量增加。 ④中斷向量表。在該方案的中斷向量表中，FIQ和IRQ等中斷向量填寫的是宏匯編函數相對應的中斷處理服務程序的名字，不作特殊處理。 ⑤時鐘節拍的產生。該方案的時鐘節拍與前一方案的產生方法相同。 4 系統啟動和引導過程 除了以上這些移植代碼，系統啟動還有很多工作要做，其流程如圖4所示。 圖4中中斷向量表的配置要根據以上兩種方案分別做工作，而初始化模式堆棧則是不同模式都必須完成的工作。用戶級的初始化代碼可以寫在外圍設備初始化中。 5 移植代碼調試過程 多任務系統移植代碼調試有時不能單步調試，時鐘節拍的引入令系統比前后臺系統復雜得多，所以要有好的調試方法�？梢圆捎靡韵抡{試步驟： ①關閉時鐘節拍，即關閉時鐘中斷單步調試，看系統會不會進入Taskldle任務； ②關閉時鐘節拍，同時分別調試FIQ和IRQ中斷代碼； ③開時鐘節拍，單獨調試時鐘中斷ISR； ④編寫簡單的多任務程序(1個或2個)，同時在每一個任務中調用OSTimaDly(1)函數，查看具體的進程調度過程。(多種方案的移植代碼見本刊網站www．mesnet．com.cn——編者注) 6 總 結 在各種系統的移植過程中發生問題最多的是內存泄赫，這常常導致芯片發生代碼預取或數據中止異常。對應用系統來說，應該對這類中止異常做相應的提示。 μC／OS-II移植綜合性較強，在移植前必須領會多任務切換原理和系統內核結構，熟悉ARM匯編語言和編程模型，了解啟動代碼內容、編譯器及芯片中斷系統等。該丁作看似簡單但其實內容豐富，需要較全面的軟硬件知識。 本文給出的兩種移植方案切實可行，運行效率較高，在其他ARM7TDMI核的芯片上做小改動后也可以應用；同時，對其他嵌入式系統在不帶MMU內存管理模塊處理器上的移植也有很好的參考價值。免費提供本文相關代碼，請聯系wlazhenqian@hotmail.com。 |
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