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介绍了实时操作系统μC/OS-II的特点和内核结构,并首次实现μC/OS-II在Motorola嵌入式处理器MCF5272上的移值。

本文引用地址: http://www.21ic.com/embed/software/ucos/201802/50700.html

作为一个实时内核,μC/OS从1992年开始为人们熟悉,到现在已经发展为μC/OS-II。ΜC/OS-II最多支持56个任务,其内核为占先式,总是执行就绪态的优先级最高的任务,并支持Semaphore(信号量)、Mailbox(邮箱)、Message Queue(消息队列)等多种常用的进程间通信机制。与大多商用RTOS不同的是,μC/OS-II公开所有的源代码,并可以免费获得,对商业应用收取少量LICense费用。一般商用操作系统如VxWorks、pSOS、WinCE,购买费用动辄数万美元,而且每件产品都需要交纳运行费,开发、使用成本高昂。

目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire处理器,采用ColdFire V2可变长RISC处理器核心和DigitalDNA技术,在66MHz时钟下能够达到63Dhrystone2.1MIPS。其内部SIM(System Integrated Module)单元集成了丰富的通用模块,如10/100MHz快速以太网控制器,USB1.1接口等,并且能够与常用的外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实现无缝连接,从而简化了外围电路设计,降低了产品成本、体积和功耗。

使用GNU工具链(包括交叉编译器GCC、汇编器AS等)进行μC/OS-II内核的编译,Host(宿主机)环境为16MB SDRAM。在宿主机上编译出MCF5272处理器的可执行代码,通过MCF5272的BDM调试工具下载到目标板调试运行。

1 μC/OS-II系统结构

图1说明了μC/OS-II的软硬件体系结构。应用程序处于整个系统的顶层,每个任务都可以认为自己独占了CPU,因而可以设计成为一个无限循环。μC/OS-II处理器无关的代码提供μC/OS-II的系统服务,应用程序可以使用这些API函数进行内存管理、任务间通信以及创建、删除任务等。

 

大部分的μC/OS-II代码是使用ANSI C语言书写的,因此μC/OS-II的可移植性较好。尽管如此,仍然需要使用C和汇编语言写一些处理器相关的代码。μC/OS-II的移植需要满足以下要求:

(1)处理器的C编译器可以产生可重入代码;

(2)可以使用C调用进入和退出Critical Code(临界区代码);

(3)处理器必须支持硬件中断,并且需要一个定时中断源;

(4)处理器需要能够容纳一定数据的硬件堆栈;

(5)处理器需要有能够在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。

移值μC/OS-II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP的编写。

2 μC/OS-II DSP编写

BSP(板级支持包)是介于底层硬件和操作系统之间的软件层次,它完成系统上电后最初的硬件和软件初始化,并对底层硬件进行封装,使得操作系统不再面对具体的操作。

为μC/OS-II编写一个简单的BSP。它首先设置CPU内部寄存器和系统堆栈,并初始化堆栈指针,建立程序的运行和调用环境;然后可以方便地使用C语言设置MCF5272片选地址(CS0~CS7)、GPIO以及SDRAM控制器,初始化串口(UART0)作为默认打印口,并向操作系统提供一些硬件相关例程和函数如dprintf(),以方便调试;在CPU、板级和程序自身初始化完成后,就可以把CPU的控制权交给操作系统了。

MCF5272处理器将系统上电作为2号异常,因此需要在异常矢量表中相应位置填写第一条命令的物理地址,这可以在编译时自动完成。该矢量表必须存放在CS0对应的FLASH中供CPU上电时自动读取。如:

_vectors: //矢量表起始地址

.long 0x0,_start,_fault,_fault,… //初始化1K字节矢量表

……

_start: nop //第一条指令

move.w #0x2700,%sr //屏蔽所有中断

move.1 #_vectors,%d0

move.c %d0,%VBR //#vectors->VBR

move.1 #0x10000001,%d0

move.c %d0,%MBAR //SIM单元基地址0x10000000

move.1 #0x20000001,%a0 //SRAM起始地址0x20000000

move.c %a0,%RAMBAR0 //初始化内部SRAM

move.1 #0x20001001,%a7 //设置堆栈指针

……

jsr cpu_init //调用cpu_init初始化SIM单元

jsr ucos_start //启动μC/OS-II

……

其中,cpu_init函数用于初始化CPU内部SIM单元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化,不同生产商的SDRAM的初始化时序有一定差异。

BSP在完成片级和板级初始化后,还负责初始化程序自身,如将.data段的内容从只读的ROM复制到SDRAM中,建立运行时环境。以下是建立程序数据段的代码:

mEMCpy(&_sdata,&_etext,(&_EDAta-&_sdata)); //拷贝.data段

MEMSet(&_sbss,0,(&_ebss - &_sbss)); //将.bss段清零

还需要为μC/OS-II编写4个简单的汇编函数。在每个硬件时钟到来后,μC/OS-II会在中断服务例程中调用OSINTCtxSw()进行任务调度;另外,当某个任务因等待资源而被挂起时,没有必要等到自己的时间片全都用完,可以自己主动放弃CPU,这可以通过调用一个任务级的任务调度函数OSCtxSw()来实现。其中相对复杂的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR()调用了OSIntExit(),OSIntExit()又再次调用了OSIntCtxSw(),如果进行任务切换,那么两次调用都不会返回,而不同的C编译器、不同的编译选项处理C调用时对堆栈的使用也不尽相同。因此OSIntCtxSw()是编译器相关的。GCC在使用2~4级优化时,在主调函数中会是一个jsr跳转指令,而被调函数以linkw %FP,#开始。这两条指令都会影响堆栈指针。为了实现任务切换,必须重新调整堆栈指针以补偿调用的影响。一个完整过程如下:

OSIntCtxSw:

adda.1 #16,%a7 //栈补偿,GCC-O2->-04优化

move.1 (OSTCBCur),%a1

move.1 %a7,(%a1) //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP

jsr OSTaskSwHook //调和Hook钩子函数

/*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/

move.1 (OSTCBHighRdy),%a1

move.1 %a1,(OSTCBCur)

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