μC/OS-II在ARM平臺上移植的深入探討

王琨強(qiáng),趙志珩

（汽車管理學(xué)院 基礎(chǔ)部，蚌埠 233011）

μC/OS-II在ARM平臺的移植是一個重要的學(xué)習(xí)過程，有助于提高對RTOS的認(rèn)識與理解，從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。μC/OS-II是一個小的實(shí)時內(nèi)核，源代碼公開，有詳盡的解釋。正是因?yàn)槠鋬?nèi)核小，才便于研究、理解和掌握。另外，參照TCP/IP協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)和一些公開的圖書，在μC/OS-II上增加TCP/IP協(xié)議棧，藍(lán)牙通信軟件、紅外通信協(xié)議也十分方便，商業(yè)價值得到了認(rèn)可。

隨著科技的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜性越來越高，同時ARM體系處理器的價格越來越低，ARM平臺 +實(shí)時操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會越來越廣泛。有鑒于此，本文對μC/OS-II在ARM平臺下的移植進(jìn)行了深入探討。

1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺簡介

1.1 μC/OS-II簡介

μC/OS最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載，并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。

μC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，絕大部分代碼用C語言編寫。CPU的相關(guān)部分采用匯編語言編寫，總量在200行左右的匯編語言被壓縮到最低限度，目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性優(yōu)良、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至 2 KB。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。

1.2 μC/OS-II的組成

嚴(yán)格地說μC/OS-II只是一個實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等額外的服務(wù)。但由于μC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源代碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實(shí)現(xiàn)。

μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信、CPU的移植等5個部分[1]。

(1)核心部分（OSCore.c）:操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)的初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。

(2)任務(wù)處理部分(OSTask.c):與任務(wù)操作密切相關(guān)的部分。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。

(3)時鐘部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的時鐘單位是timetick（時鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時等操作在此完成。

(4)任務(wù)同步和通信部分：為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

(5)與CPU的接口部分：這里是指 μC/OS-II針對所使用的CPU需要改寫的部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統(tǒng)，其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的，在應(yīng)用到其他處理器平臺上時，這部分代碼必須做相應(yīng)的改變。

1.3 ARM硬件開發(fā)平臺簡介

調(diào)試時所用的硬件開發(fā)平臺是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片，主頻 203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD讀卡器、USB Host和 USB Device控制器、LCD控制器、I2C總線控制器、SPI總線接口等。開發(fā)板上Flash空間為32 MB，SDRAM容量為128 MB。

2 S3C2410引導(dǎo)程序

開發(fā)板原有引導(dǎo)程序由VIVI公司提供，其運(yùn)行過程分成兩個階段。第一階段的代碼用匯編語言編程，主要完成以下任務(wù)：(1)初始化CPU速度、存儲器、存儲器配置寄存器，以及串口等硬件資源的配置；(2)建立內(nèi)存空間的映射圖，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備；(3)裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中；(4)設(shè)置相關(guān)寄存器和資源，跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)，進(jìn)入第二階段。

第二階段的代碼用 C語言編寫，從 main（）函數(shù)開始,主要工作有:開發(fā)板外部接口初始化(I/O接口、UART接口、LCD接口等)、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等，最后啟動linux內(nèi)核。有大量文章對此開發(fā)板引導(dǎo)程序作了詳細(xì)的分析[3]，本文在這里不做重復(fù)，本文的重點(diǎn)是將引導(dǎo)程序與μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合，既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口、LCD和觸摸屏接口程序；時鐘、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動程序和接口程序，又成功地完成了對μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)的移植和整合。

3 移植要點(diǎn)

μC/OS-II的內(nèi)核分成2個部分，與處理器無關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺（這里特地強(qiáng)調(diào)編譯平臺的因素，主要考慮到各個編譯平臺對數(shù)據(jù)格式的理解略有差別）的特點(diǎn)來重新編寫3個文件，用C語言編寫的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用匯編語言編寫的OS_CPU_A.ASM，此外，要將S3C2410開發(fā)板引導(dǎo)程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起，還必須將各自main（）函數(shù)融為一體。

3.1 OS_CPU.H 的移植

μC/OS-II內(nèi)核中 OS_CPU.H代碼是根據(jù) X86內(nèi)核而寫的，其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個部分：

(1)數(shù)據(jù)類型定義:在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，雖然定義 8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時,在編譯過程中不會報(bào)錯，但這些變量并不會按要求被正確初始化或賦值，運(yùn)行過程常常出錯。所以，在改寫OS_CPU.H代碼時，將所有變量都定義成 32 bit或 64 bit；

(2)堆棧生長方向定義:ARM的堆棧是從上往下生長的，OS_STK_GROWTH定義為 1；

(3)開關(guān)中斷的宏定義:用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實(shí)現(xiàn)，放在OS_CPU_A.ASM文件中。

(4)宏定義OS_TASK_SW（）:這個宏定義是在 ARM 中斷處理之外時，μC/OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時所調(diào)用的代碼，它總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。在有些資料中[1]，將 OS_TASK_SW()和 OSIntCtxSw（）等同起來，這在ARM內(nèi)核中是不行的，因?yàn)楹笳呤茿RM內(nèi)核在中斷模式下的任務(wù)切換函數(shù)，而不同模式下處理器的寄存器組是不同的，所要保護(hù)的寄存器內(nèi)容也不相同，經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)以下代碼可達(dá)到目的。

3.2 OS_CPU_C.C.H 的移植

在OS_CPU_C.C中,最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），它在任務(wù)建立時,用來初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，其余鉤子函數(shù)可以不用動,這個函數(shù)的代碼比較簡單[2]。需要說明的是，由于本文所述系統(tǒng)，用戶任務(wù)運(yùn)行在SVC模式下，沒有保存SPSR寄存器。

3.3 OS_CPU_A.ASM 的移植

OS_CPU_A.ASM文件的匯編程序是μC/OS-II移植工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它通常包括OSStartHighRdy()、OS-IntCtxSw()、OSTickISR（）和開關(guān) 中斷代 碼等 。 其中 ，OSStartHighRdy()的主要工作是將優(yōu)先級最高任務(wù)對應(yīng)的所有寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來,其代碼簡單[2]。對于開關(guān)中斷函數(shù)，在調(diào)試時所用代碼如下：

需要指出的是，在每次成對調(diào)用這兩個函數(shù)時，需要提前聲明變量r，代碼如下所示:

需要慎重對待的是 OSIntCtxSw()、OSTickISR（）函數(shù)。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，用一般參考資料所介紹的代碼都無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的正常運(yùn)行，其主要原因是，對ARM9內(nèi)核而言，其每種特定的中斷返回，都有特定的返回指令，在中斷處理過程中，強(qiáng)制使用模式切換指令，使處理器的中斷處理機(jī)制發(fā)生混亂，程序無法正常執(zhí)行。例如在ISR模式中使用指令：

其目的是返回ISR發(fā)生之前的模式，然后保存一些寄存器。但調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，在上述指令執(zhí)行之后，處理器重新響應(yīng)ISR中斷，并沒有順序執(zhí)行，而是立即回到ISR模式下。

還有，對于 S3C2410的 ARM920T內(nèi)核而言，其 ISR模式的返回指令是：

其他任何形式的指令都無法使處理器正確返回。有些資料用下述指令：

Ldmfd sp!,{r0-r12,lr，pc};執(zhí)行之前堆棧中相應(yīng)存儲單元的內(nèi)容為（lr-4）。

看起來與前面的兩行代碼意義相同，但后面的代碼僅僅讓處理器實(shí)現(xiàn)PC指針的跳轉(zhuǎn)，而無法實(shí)現(xiàn)處理器的模式轉(zhuǎn)換，即從ISR模式回到中斷發(fā)生之前的模式。

但在中斷發(fā)生時，無法在中斷處理過程中保存所有的處理器寄存器。例如，在ISR模式下，無法保存SVC模式的LR寄存器等。為了解決這個問題，本文采取了如圖1所示的框圖結(jié)構(gòu)來編寫中斷處理代碼和OSIntC-txSw()函數(shù)。

因?yàn)镾3C2410在進(jìn)入ISR模式后,自動屏蔽ISR中斷，所以粗存在中斷嵌套,可以表明2個全部變量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中斷發(fā)生之時處理器的lr和spsr寄存器。其代碼的特別之處在于，在ISR中斷處理過程中通過修改lr寄存器，而使處理器在退出ISR模式時能根據(jù)任務(wù)的需要返回至ISR中斷發(fā)生之處或者代碼指定地點(diǎn)。在代碼指定地點(diǎn)，可以保存上次中斷發(fā)生時被中斷任務(wù)的處理器的所有寄存器數(shù)據(jù)。這里需要注意一點(diǎn)，當(dāng)處理器退出ISR模式時跳轉(zhuǎn)到Saveregister處開始執(zhí)行命令，需要提前將Saveregister處的地址加上4，然后賦值給lr寄存器。因?yàn)樵贗SR退出時，需要將lr減去4再賦值給程序計(jì)數(shù)器pc。

圖1 中斷處理過程

4 S3C2410啟動代碼和μC/OS-II的融合

本文1.1節(jié)已經(jīng)介紹過，S3C2410的啟動代碼開始部分是匯編語言的初始化過程，然后跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)。融合的工作就從改造S3C2410的main（）函數(shù)和μC/OS-II的 main（）函數(shù)（在 test.c中）開始。 在 S3C2410的main（）函數(shù)中，保留原啟動代碼中關(guān)于端口、內(nèi)存、外部設(shè)備初始化代碼，刪去跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)的代碼；在 μC/OS-II的 test.c文件的 main（）函數(shù)中，刪去一切與X86內(nèi)核有關(guān)的初始化代碼和輸入輸出函數(shù)代碼（因?yàn)檫@部分代碼在S3C2410的啟動代碼中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)），并將 與 μC/OS-II內(nèi) 核 有 關(guān) 的 3個 函 數(shù) OSInit()、OSTaskCreate(…)、OSStart()復(fù) 制 到 S3C2410 的 main（）函 數(shù)中，同時刪去 μC/OS-II的 test.c文件。融合后的 main（）函數(shù)主要代碼如下：

至此，處理器已執(zhí)行完S3C2410的啟動代碼,并開始執(zhí)行μC/OS-II內(nèi)核代碼。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，處理器的中斷必須是打開的。這個工作在OSStart()函數(shù)中完成，在執(zhí)行OSStartHighRdy之前，要按照系統(tǒng)的需求完成處理器的中斷初始化工作，同時打開中斷。至此，融合工作基本完成，剩下的工作就是按照系統(tǒng)的需求在μC/OS-II的TaskStart（…）函數(shù)中自由添加實(shí)際工作所需的任務(wù)了。

在本文所述系統(tǒng)中，在μC/OS-II所帶3個系統(tǒng)任務(wù)的基礎(chǔ)上添加了3個任務(wù)Task1、Task2和 Task3，方法是在 OSStatInit()之前添加 OSTaskCreate(Task1,…)等代碼，然后按下述格式和自己的需求編寫Task1、Task2和Task3函數(shù)。代碼為：

因篇幅所限，無法詳述在融合過程中遇到的所有問題，尤其是在ADSv1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試過程出現(xiàn)的語法問題和各種細(xì)節(jié)問題。

隨著科技的發(fā)展和實(shí)際任務(wù)復(fù)雜性的逐步增加，傳統(tǒng)的單片機(jī)前后臺編程模式漸漸不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中使用嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，本文在S3C2410開發(fā)板上將原有的引導(dǎo)程序和μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起，開發(fā)出能自引導(dǎo)的μC/OS-II操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了3個系統(tǒng)任務(wù)外，還自帶3個實(shí)際任務(wù)，在ADSV1.2環(huán)境下編譯、調(diào)試，并在板卡上成功運(yùn)行，對μC/OS-II在ARM平臺上的移植有一定借鑒意義。

[1]任哲,潘樹林,房紅征,編著.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ) μC/OS-II和 Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]韓山,郭云,付海艷,編著.ARM微處理器應(yīng)用開發(fā)技術(shù)詳解與實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007:284-286.

[3]蔣維.基于ARM S3C2410嵌入式系統(tǒng)的Bootloader分析與設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2008(10).