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麦子学院  2016-10-17 00:11

μCOS-II移植到ARM处理器方发布在详解

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本文主要介绍μCOS-II移植到ARM处理器上的几个要点，如下所示：

　　uCOS II在ARM处理器上移植过程中的中断处理

　　uCOS II是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁和抢占式的实时多任务操作系统，其大部分源码是用ANSI C编写，与处理器硬件相关的部分使用汇编语言编写。总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，以便于移植到任何一种其它的CPU上。

　　uCOS II最多可支持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）、MessageQueue（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，uCOS II公开所有的源代码。并可以免费获得，只对商业应用收取少量License费用。

　　uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3个文件有关，中断处理的移植占据了很大一部分内容。作为移植的一个重点，本文以标准中断（IRQ）为例讨论了移植中的中断处理。

　　1uCOS II系统结构

　　uCOS II的软硬件体系结构如图1。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。大部分代码是使用ANSI C语言书写的，因此uCOS 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。uCOS 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：可以使用C调用进入和退出Critical Code（临界区代码）；

　　2）处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源；

　　3）处理器需能容纳一定数据的硬件堆栈；

　　4）处理器需有能在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。

　　移植uCOS II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP（Board Support Package）的编写。uCOS II处理器无关的代码提供uCOS 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。

　　2uCOS II移植过程中需要注意的几个问题

　　uCOS II移植的中断处理跟ARM体系结构和uCOS II处理中断的过程有关，必须注意这2个方面的问题才能高效移植。

　　2.1 ARM 处理器7种操作模式

　　用户模式（USER MODE）是ARM 通常执行状态，用于执行大多数应用程序；快速中断模式（FIQ MODE）支持数据传输或通道处理；中断模式（IRQ MODE）用于通用中断处理；超级用户模式（SVC MODE）是一种操作系统受保护的模式：数据中止模式（ABT MODE）指令预取指中止、数据中止时进入该模式；未定义模式（UND MODE）当执行未定义的指令时进入该模式；系统模式（SYS MODE）是操作系统一种特许的用户模式。

　　除了用户模式之外，其他模式都归为特权模式，特权模式用于中断服务、异常或者访问受保护的资源。

　　特权模式中除系统模式之外另5种模式又称为异常模式，在移植过程中必须设置中断向量表来处理异常。uCOS II的移植主要处理标准中断（IRQ）、快速中断（FIQ）和软件中断（SWI）。

　　2.2 uCOS II中断响应的过程

　　以IRQ中断为例，假设CRPS中I_bit位为0，当有IRQ中断时，CPU强制进入IRQ模式，当前的CPSR拷贝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以关闭IRQ中断。数据保存之后，CPU强行从0X00000018开始执行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR（）的地址， 然后执行OS_CPU_IRQ_ISR（）。在OS_CPU_IRQ_ISR（）中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）被调用来检测中断源并执行中断。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR（）又调用OSIntExit（）来确认是否有比ISR优先级更高的任务要执行。如果当前中断任务仍然是优先级最高的任务，OSIntExit（）返回，OS_CPU_IRQ_ISR（）弹出中断堆栈，如果优先级更高的任务需要执行，OSIntExit（）调用OSIntCtxSw（）执行优先级更高的任务。

　　2.3 uCOS II的临界段代码

　　uCOS II使用关中断来保护临界代码。它定义了2个宏来开中断（OS_EXIT_CRITICAL（）），关中断（OS_ENTER_CRITICAL（））。OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）有3种方法来实现，uCOS II建议使用第3种方法可以保存当前处理器状态的值。

　　3uCOS II移植过程中的中断处理

　　uCOS II中断处理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有关，其移植过程主要有以下几个步骤。

　　3.1 在CRT.S中设置中断向量表

　　ARM的中断向量表位于ROM 的最底部，其地址范围为0X00000000～0X0000001C，设置如下：

　　VECTORS:LDR PC，RESET_ADDR

　　LDR PC，UNDEF_ADDR

　　LDR PC，SWI_ADDR

　　LDR PC，PABT_ADDR

　　LDR PC，DABT_ADDR

　　NOP /*保留向量*/

　　LDR PC，IRQ_ADDR

　　LDR PC，FIQ_ADDR

　　RESET_ADDR：。 WORD RESET_HANDLER

　　UNDEF_ADDR：.WORD UNDEF—HANDLER

　　SWI_ADDR：.WORD SWI HANDLER

　　PABT_ADDR：.WORD PABT_HANDLER

　　DABT_ADDR：.WORD DABT_ HANDLER

　　WORD 0 /*保留地址*/

　　IRQ_ADDR：.WORD IRQ_HANDLER

　　FIQ_ADDR：.WORD FIQ HANDLER

　　UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

　　SWI_HANDLER： B SWI_HANDLER

　　PABT_HANDLER： B PABT_HANDLER

　　DABT_HANDLER： B DABT_HANDLER

　　IRQ_HANDLER： B OS_CPU_IRQ_ISR

　　/*跳转到OS_CPU_IRQ_ISR（在OS_CPU_A.S中）*/

　　FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR

　　/*跳转到OS_CPU_FIQ_ISR（在OS_CPU_A.S中） */

　　这里设置了标准中断异常（IRQ）和快速中断异常（FIQ）的中断入口，其余异常都设置为死循环，当发生这些异常的时候，必须使系统复位才能退出死循环。

　　3.2 移植中断任务切换

　　中断任务切换（OSIntCtxSw）和任务切换函数（OSCtxSw）比较相似，主要有以下几步组成：

　　1）调用OSTask SwHook（）

　　2）OSPrioCur=OSPrioHighRdy

　　3）OSTCBCur=OSTCBHighRdy

　　4）SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

　　//获取高优先级的任务堆栈指针

　　5）从高优先级的任务的堆栈中弹出高优先级的任务上下文

　　6）执行高优先级的任务

　　3.3 移植中断服务程序

　　以IRQ中断为例中断服务程序（OS_CPU_IRQ_ISR）主要依据上面所描述的“uCOS II中断响应的过程”编写，其主要代码如下：

　　……

　　LDR R0，OS_IntNesting

　　LDRB R1，［R0］

　　ADD R1，R1，#1

　　STRB R1，［R0］

　　CMP R1，#l

　　BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

　　LDR R4，OS_TCBCur

　　LDR R5，［R4］

　　STR SP，［R5］

　　OS_CPU_IRQ_ISR_1：

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | IRQ32_MODE）

　　//切换到SVC模式

　　LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | SVC32_MODE）

　　//切换到SVC模式

　　LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit（）

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　……

　　在代码中省略了现场工作寄存器的保护与恢复及工作模式的切换。

　　3.4 移植中断处理程序

　　以IRQ中断为例，移植中断处理程序：

　　C程序

　　void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（void）{PFNCT pfnct; //定义中断函数指针pfnct=（PFNCT）VICVectAddr; //获取函数地址while（pfnct！=（PFNCT）0）{（*pfnct）（）； //调用中断函数pfnct=（PFNCT）VICVectAddr； //获取新的中断函数} //所有中断都执行完毕退出}

　　中断处理程序依赖中断控制器的中断响应顺序，所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）归属于用户程序的一部分。在中断返回之前，中断处理程序要处理完所有的中断响应，以避免在多个中断同时响应或中断处理过程中响应中断的情况下， 进入OS_CPU_IRQ_ISR （） 和退出OS_CPU_IRQ_ISR（）时，OS_CPU_IRQ_ISR（）耗尽保存CPU寄存器的堆栈空间。

　　另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）中不要清CPSR的I位来开放中断，因为没有必要使用中断嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）在返回之前会检查并处理所有的中断。

　　3.5 编写中断函数

　　中断函数一般采用C语言编写，uCOS II建议中断函数应尽量短，一般做法是在中断函数中缓存数据，给任务发送一个信号来处理数据。中断函数的地址在系统初始化的时候要置人中断向量寄存器（VICVectAddr0～15）。由于向量中断控制器（VIC）的特殊结构，在中断函数中要写一次中断向量寄存器（VICV粗体ectAddr）。

　　4中断处理的应用示例

　　uCOS II要提供周期性信号源，用于实现时间延时和确认超时。节拍率应为10～100 Hz。时钟节拍源可以由专门的硬件定时器产生，以下就以IRQ中断方式产生节拍源为示例。

　　初始化中断控制器：

　　

　　C程序

　　void VICInit（void）{

　　VICIntEnClr=0xfffff;

　　VICDefVectAddr=-（INT32U）Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= （INT32U）OSTickISR;

　　VICVectCntl0= （0x20 | 0x04）;

　　VICIntEnable= 1《《4;

　　}

　　定时器0中断函数：

　　C程序

　　void OSTickISR（void）

　　{

　　TO_IR = 0xff；

　　OSTimeTick（）； //调用OSTimeTick（）

　　VICVectAddr=0; //通知中断控制器中断结束

　　}

　　当定时中断发生时调用OS_CPU_IRQ_ISR Handler（），得到OSTickISR（）的地址并执行，在OSTickISR（）中调用OSTimeTick（）为uCOS II提供周期性信号源。

　　此代码在GNU工具链ARM-GCC下编译通过，并在EasyARM2100开发实验板上得到验证。

　　通过示例讲述了在uCOS II移植过程中的中断处理所需要注意的几个问题和通用方法，经笔者在GNU工具链下编译、调试，并在实验板上得到很好的验证。这种移植方案的中断函数都使用C语言编写，具有较好的移植性，有利于对不同需求的用户进行中断扩充，增强了中断嵌套时uCOS II运行的稳定性，使移植具有更好的通用性。

　

　　1设置OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码

　　/********************************************************************

　　*

　　* 与编译器相关的数据类型

　　*********************************************************************

　　/

　　typedef unsigned char BOOLEAN;

　　typedef unsigned char INT8U; //8 位无符号整数

　　typedef signed char INT8S; //8 位有符号整数

　　typedef unsigned int INT16U; //16 位无符号整数

　　typedef signed int INT16S; //16 位有符号整数

　　typedef unsigned long INT32U; //32 位无符号整数

　　typedef signed long INT32S; //32 位有符号整数

　　typedef float FP32; //单精度浮点数

　　typedef double FP64; //双精度浮点数

　　typedef unsigned int OS_STK; //堆栈入口宽度为16 位

　　#define BYTE INT8S //字节型

　　#define UBYTE INT8U //为了与uC/OS V1.xx.兼容

　　#define WORD INT16S // 。。. uC/OS-II.

　　#define UWORD INT16U

　　#define LONG INT32S

　　#define ULONG INT32U

　　/********************************************************************

　　* 与ARM 处理器相关的代码

　　********************************************************************/

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） ARMDisableInt（） /*关闭中断*/

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） ARMEnableInt（） /*开启中断*/

　　/* 设施堆栈的增长方向*/

　　#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆栈由高地址向低地址增长*/

　　2用C 语言编写六个操作系统相关的函数（OS_CPU_C.C）

　　void *OSTaskStkInit （void （*task）（void *pd），void *pdata， void *ptos， INT16U opt）

　　{

　　unsigned int *stk;

　　opt = opt; /* 因为‘opt’ 变量没有用到，防止编译器产生警告*/

　　stk = （unsigned int *）ptos; /*装载堆栈指针*/

　　/* 为新任务创建上下文*/

　　*--stk = （unsigned int） task; /* pc */

　　*--stk = （unsigned int） task; /* lr */

　　*--stk = 0; /* r12 */

　　*--stk = 0; /* r11 */

　　*--stk = 0; /* r10 */

　　*--stk = 0; /* r9 */

　　*--stk = 0; /* r8 */

　　*--stk = 0; /* r7 */

　　*--stk = 0; /* r6 */

　　*--stk = 0; /* r5 */

　　*--stk = 0; /* r4 */

　　*--stk = 0; /* r3 */

　　*--stk = 0; /* r2 */

　　*--stk = 0; /* r1 */

　　*--stk = （unsigned int） pdata; /* r0 */

　　*--stk = （SVC32MODE|0x0）; /* cpsr IRQ， 关闭FIQ */

　　*--stk = （SVC32MODE|0x0）; /* spsr IRQ， 关闭FIQ */

　　return （（void *）stk）;

　　}

　　void OSTaskCreateHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告

　　}

　　void OSTaskDelHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告

　　}

　　void OSTaskSwHook （void）

　　void OSTaskStatHook （void）

　　void OSTimeTickHook （void）

　　后5 个函数为钩子函数，可以不加代码。

　　3用汇编语言编写四个与处理器相关的函数（OS_CPU.ASM）

　　（1）OSStartHighRdy（）；运行优先级最高的就绪任务

　　LDR r4， addr_OSTCBCur ; 得到当前任务的TCB 地址

　　LDR r5， addr_OSTCBHighRdy ; 得到高优先级任务的TCB 地址

　　LDR r5， ［r5］ ;得到堆栈指针

　　LDR sp， ［r5］ ;切换到新的堆栈

　　STR r5， ［r4］ ; 设置新的当前任务的TCB 地址

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR SPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r4} ; 从栈顶得到新的声明

　　MSR CPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r0-r12， lr， pc } ; 开始新的任务

　　END

　　（2）OSCtxSw（）；任务级的任务切换函数

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存PC 指针

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存lr 指针

　　STMFD sp！， {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址

　　MRS r4， CPSR

　　STMFD sp！， {r4} ; 保存当前PSR

　　MRS r4， SPSR

　　STMFD sp！， {r4}

　　; OSPrioCur = OSPrioHighRdy

　　LDR r4， addr_OSPrioCur

　　LDR r5， addr_OSPrioHighRdy

　　LDRB r6， ［r5］

　　STRB r6， ［r4］

　　; 得到当前任务的TCB 地址

　　LDR r4， addr_OSTCBCur

　　LDR r5， ［r4］

　　STR sp， ［r5］ ; 保存栈指针在占先任务的TCB 上

　　; 取得高优先级任务的TCB 地址

　　LDR r6， addr_OSTCBHighRdy

　　LDR r6， ［r6］

　　LDR sp， ［r6］ ;得到新任务的堆栈指针

　　; OSTCBCur = OSTCBHighRdy

　　STR r6， ［r4］ ; 设置当前新任务的TCB 地址set new current task TCB

　　address

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR SPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR CPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r0-r12， lr， pc}

　　（3）OSIntCtxSw（）；中断级的任务切换函数

　　LDMIA sp！，{a1-v1， lr}

　　SUBS pc， lr， #4

　　SUB lr， lr， #4

　　MOV r12， lr

　　MRS lr， SPSR

　　AND lr， lr， #0xFFFFFFE0

　　ORR lr， lr， #0xD3

　　MSR CPSR_cxsf， lr

　　（4）OSTickISR（）；中断服务函数

　　STMDB sp！，{r0-r11，lr}

　　;interrupt disable（not nessary）

　　mrs r0， CPSR

　　orr r0， r0， #0x80 ; 设置中断禁止标

　　msr CPSR_cxsf， r0 ;中断结束

　　; rI_ISPC= BIT_TIMER0;

　　LDR r0， =I_ISPC

　　LDR r1， =BIT_TIMER0

　　STR r1， ［r0］

　　BL IrqStart

　　BL OSTimeTick

　　BL IrqFinish

　　LDR r0， =need_to_swap_context

　　LDR r2， ［r0］

　　CMP r2， #1

　　LDREQ pc， =_CON_SW

完成了上述工作以后，μCOS-II 就可以正常运行在ARM 处理器上了。

 

文章来源：MCU开发加油站