嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－II 在MPC5604B 上的移植①

羅先銀， 吳光強(qiáng)

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

隨著人們對汽車安全性、環(huán)保、節(jié)能和舒適性要求的提高，汽車電子技術(shù)應(yīng)用日益廣泛．作為汽車電子控制系統(tǒng)的核心，微控制器已經(jīng)由最初的4位微控制器發(fā)展到現(xiàn)在的32位微控制器．半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得電子控制系統(tǒng)集成度、控制精度提高的同時(shí)也降低了成本．MPC56xx系列微控制器是Freescale半導(dǎo)體公司針對日益復(fù)雜的汽車電子控制系統(tǒng)推出的基于Power Architecture○R架構(gòu)的下一代32位微控制器，使用90nm COMS技術(shù)制造，具有低成本、低功耗、高性能和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)[1，2]．

面對日益復(fù)雜的控制系統(tǒng)軟件，傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足控制系統(tǒng)對多任務(wù)和實(shí)時(shí)性等多方面的要求．相比前后臺(tái)系統(tǒng)，嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核具有明確的時(shí)序，在處理對時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用時(shí)具有更大的優(yōu)勢，支持多任務(wù)處理，同時(shí)使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)變得更加容易，提高了開發(fā)效率[3，4]．相對于市面上其它的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，μC/OS － II具有可移植性、可裁剪、搶占式、高穩(wěn)定性與高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)．

本文結(jié)合MPC5604B的特點(diǎn)，對移植過程中設(shè)計(jì)到的任務(wù)切換及堆棧的保存與恢復(fù)等核心問題進(jìn)行了分析，成功的移植了μC/OS－II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)．

1 MPC5604B與xPC560B評估板

MPC5604B微控制器是Freescale半導(dǎo)體公司針對下一代汽車應(yīng)用微控制器家族的擴(kuò)展，具有高達(dá)64MHz的工作頻率;帶有內(nèi)存保護(hù)單元(Memory Protection Unit，MPU)，通過系統(tǒng)集成單元管理復(fù)位、外部中斷、通用I/O及引腳的控制;具有4個(gè)LIN總線控制器模塊、3個(gè)DSPI模塊、3個(gè)CAN總線控制器模塊、56個(gè)通道的16位增強(qiáng)型模塊化輸入輸出系統(tǒng)(Enhanced Modular IO Subsystem，eMIOS)、36個(gè)通道的10位精度模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊(Analog－to－Digital Converter，ADC);定時(shí)器系統(tǒng)包括4個(gè)軟件定時(shí)器模塊(System Timer Module，STM)，6個(gè)外圍中斷定時(shí)器(Periodic Interrupt Timer，PIT)，一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(Real Time Clock，RTC)．除此之外，MPC5604B使用可變長度編碼(Variable－Length Encoding，VLE)功能，能幫助將代碼減小30%，提高了代碼密度，降低了存儲(chǔ)器的要求．

本文所用的xPC560B評估板是PEMICRO公司針對MPC56xB系列微控制器開發(fā)的硬件平臺(tái)，整套平臺(tái)包括了xPC56XXMB母板、MPC56xB最小系統(tǒng)、MPC5604B、PE公司USB－ML－PPCNEXUS開發(fā)套件．圖1給出了xPC560B評估板外圍端口及MPC5604B片內(nèi)資源．

2 μC/OS－II在MPC5604B上的移植

2．1 μC/OS－II特點(diǎn)及移植要求

μC/OS－II是一款源碼開放的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其源碼絕大部分是用移植性強(qiáng)的ANSI C寫的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語言寫的，具有可裁剪、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可剝奪性、能夠方便移植到各種微處理器上的特點(diǎn)．其高穩(wěn)定性和可靠性適用于實(shí)時(shí)性要求高，安全性要求苛刻的系統(tǒng)中．

要使μC/OS－II正常運(yùn)行，處理器必須滿足以下要求[3]:

1)處理器的C編譯器能夠產(chǎn)生可重入型代碼;

2)處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常為10～100Hz);

圖1 xPC560B評估板及MPC5604B片內(nèi)資源

圖2 μC/OS－II硬件/軟件體系結(jié)構(gòu)

3)用C語言就可以開/關(guān)中斷;

4)處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧(可能是幾千字節(jié));

5)處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內(nèi)容讀出、并存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中去的指令．

MPC5604B能夠完全滿足上述要求，因此可以完成移植工作．

圖2給出了μC/OS－II的結(jié)構(gòu)以及與硬件的關(guān)系．在移植過程中，通過OS_CFG．H的配置實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用相關(guān)的系統(tǒng)配置，并裁剪掉不需要使用的系統(tǒng)服務(wù)程序代碼，通過對OS_CPU．H，OS_CPU_A．ASM，OS_CPU_C．C的修改，實(shí)現(xiàn)任務(wù)堆棧的保存與恢復(fù)、任務(wù)切換、時(shí)鐘節(jié)拍中斷．

2．2 MPC5604B 異常/中斷處理

在移植過程中，需要用到兩處中斷，一是提供時(shí)鐘節(jié)拍的時(shí)鐘節(jié)拍中斷，選擇MPC5604B中的周期中斷定時(shí)器PIT產(chǎn)生的定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn);一是在任務(wù)級任務(wù)切換時(shí)所需要產(chǎn)生的軟件中斷，調(diào)用內(nèi)核指令sc，產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用異常實(shí)現(xiàn)．在MPC5604B中，通過異常向量前綴寄存器和異常向量偏移寄存器統(tǒng)一管理異常處理程序的入口地址，所有外設(shè)中斷為被識(shí)別為4號(hào)異常，其全局處理程序入口地址對應(yīng)于4號(hào)異常向量偏移寄存器．全局處理程序通過中斷向量表調(diào)用相應(yīng)中斷服務(wù)程序．圖3給出了MPC5604B的異常處理流程．

圖3 MPC5604B異常處理流程

2．3 OS_CPU．H 的移植

OS_CPU．H中主要涉及到一些與處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型、相關(guān)常數(shù)以及相關(guān)語句的宏定義．

因?yàn)槲⑻幚砥饔胁煌淖珠L，而且不同的編譯器的對數(shù)據(jù)類型的定義也不一樣，因此在移植時(shí)需要給出正確的數(shù)據(jù)類型定義．因?yàn)镸PC5604B是32位微控制器，移植時(shí)特別注意OS_STK以及CPU狀態(tài)寄存器OS_CPU_SR的數(shù)據(jù)類型的定義:

typedef unsigned long OS_STK;

typedef volatile unsigned long OS_CPU_SR;

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，μC/OS－II在處理臨界代碼時(shí)需要關(guān)中斷，處理完后再打開中斷．系統(tǒng)提供OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來實(shí)現(xiàn)開關(guān)中斷，并且提供三種方法．在移植中采用第三種方法，并通過相關(guān)匯編代碼保存和恢復(fù)當(dāng)前處理器的狀態(tài)值．

堆棧增長方向設(shè)置，MPC5604B堆棧增長方向?yàn)閺纳?高地址)往下(低地址)遞減．故將OS_STK_GROWTH設(shè)為1．

任務(wù)級任務(wù)切換OS_TASK_SW()是一個(gè)宏，是在μC/OS－II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級時(shí)任務(wù)級代碼調(diào)用．此處利用e200z0內(nèi)核中指令sc來實(shí)現(xiàn)中斷，通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)任務(wù)的切換．

#define OS_TASK_SW()asm(“sc”);

圖4 任務(wù)調(diào)度流程圖

2．4 OS_CPU_C．C 和OS_CPU_A．ASM的移植

在OS_CPU_C．C文件中需要改寫10個(gè)C函數(shù)，其中有9個(gè)是必須申明但不需要有源代碼的，另外一個(gè)函數(shù)OSTaskStkInit()是必需的．

任務(wù)初始化函數(shù) OSTaskStkInit()由 OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調(diào)用，用來初始化任務(wù)堆棧．將堆棧結(jié)構(gòu)初始化成像是剛剛發(fā)生過中斷一樣，所有寄存器都被推入堆棧．根據(jù)e200z0內(nèi)核的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)堆棧由高到低保存著特殊寄存器SPR和32個(gè)通用寄存器GPR．其在內(nèi)存中的映射如表1所示，表1中同時(shí)給出了OSTaskStkInit()執(zhí)行后任務(wù)堆棧中的情況．

其中 task，p_arg，ptos為 OSTaskStkInit()傳入的參數(shù)，msr為初始化時(shí)MSR寄存器的值，srr1為初始化時(shí)MSR寄存器的值并置位中斷允許位．

在MPC5604B中，中斷發(fā)生時(shí)，中斷返回地址被保存到SRR0中，MSR寄存器被保存到SRR1中．當(dāng)使用rfi指令從中斷返回時(shí)，SRR0寄存器指明了中斷返回指令地址．在任務(wù)創(chuàng)建后，任務(wù)不是直接執(zhí)行的，而是通過OSSched()函數(shù)進(jìn)行調(diào)度．為了使調(diào)度簡單一致，在初始化時(shí)將SRR0和LR均指向任務(wù)函數(shù)入口．

在移植OS_CPU_A．ASM文件時(shí)需要用匯編實(shí)現(xiàn)如下3個(gè)簡單的函數(shù):OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()．在移植中，采用C語言中內(nèi)嵌匯編編程，將這三個(gè)函數(shù)與時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR()均放在OS_CPU_C．C文件中．

表1 堆棧中寄存器的映射與初始化

2．4．1 修改 OSStartHighRdy()函數(shù)

OSStartHighRdy()在啟動(dòng)多任務(wù)時(shí)用來使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行，在OSStart()中調(diào)用．下面給出移植到MPC5604B上的源代碼．

(1)調(diào)用用戶定義的OSTaskSwHook()函數(shù);

(2)置位OSRunning，使其為真;

(3)得到最高優(yōu)先級任務(wù)指針，將OSTCBCur設(shè)為當(dāng)前最高優(yōu)先級任務(wù);

(4)將最高優(yōu)先級任務(wù)堆棧指針放入GPR1中;關(guān)中斷并從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所有寄存器的值，EPILOGUE見表2;

(5)執(zhí)行中斷返回指令，跳轉(zhuǎn)到優(yōu)先級最高的任務(wù)．

2．4．2 修改 OSCtxSw()和 OSIntCtxSw()函數(shù)

這兩個(gè)函數(shù)均是用來做任務(wù)切換的，它們的區(qū)別在于OSCtxSw()屬于任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)，在任務(wù)中調(diào)用OSSched()檢查是否有高優(yōu)先級任務(wù)，如果有則調(diào)用OS_TASK_SW()，產(chǎn)生中斷進(jìn)入該任務(wù)切換函數(shù)，而OSIntCtxSw()屬于中斷級的任務(wù)切換函數(shù)，在中斷服務(wù)程序退出前檢查是否有更高優(yōu)先級任務(wù)，如果有則調(diào)用該任務(wù)切換函數(shù)．下面給出OSCtxSw()的源代碼．

(1)將處理器全部寄存器壓入堆棧;

(2)在當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊中保存當(dāng)前任務(wù)的堆棧指針，PROLOGUE見表2;

(3)調(diào)用用戶定義的OSTaskSwHook()函數(shù);

(4)得到將要重新開始運(yùn)行的任務(wù)的堆棧指針;

(5)更新全局變量OSTCBCur和OSPrioCur;

(6)將最高優(yōu)先級任務(wù)堆棧指針放入GPR1中，關(guān)中斷并從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所有寄存器的值;

(7)執(zhí)行中斷返回指令，跳轉(zhuǎn)到新任務(wù)．

由于在進(jìn)入中斷后，已經(jīng)將處理器寄存器的值保存保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中，所以在執(zhí)行中斷級的任務(wù)調(diào)度時(shí)不需要再次保存處理器寄存器的值，因此OSIntCtxSw()的絕大部分代碼與OSCtxSw()一樣，只是少了其中的(1)和(2)兩步．

2．4．3 OSTickISR()函數(shù)

OSTickISR()主要的任務(wù)是處理時(shí)鐘節(jié)拍中斷，通過調(diào)用時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()為系統(tǒng)提供時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)，并在中斷退出前OSIntExit()函數(shù)檢查是否有更高優(yōu)先級任務(wù)處于就緒態(tài)，進(jìn)行中斷級任務(wù)調(diào)度．

移植中采用MPC5604B中的周期中斷定時(shí)器(PIT)作為時(shí)鐘中斷，將時(shí)鐘中斷頻率設(shè)置為100次/s，在啟動(dòng)任務(wù)中進(jìn)行初始化并允許其中斷．

由于e200z0內(nèi)核指令沒有專門的壓棧出棧指令，在移植過程中使用相應(yīng)的匯編程序來實(shí)現(xiàn)處理器全部寄存器的保存和恢復(fù)過程，見表2．

3 系統(tǒng)測試

在移植完成后需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試，通過測試來發(fā)現(xiàn)多任務(wù)間是否能夠進(jìn)行正常的任務(wù)切換．測試的方法很多，為了排除測試代碼的影響，采取建立兩個(gè)簡單任務(wù)，通過開關(guān)LED燈來指示任務(wù)切換的情況．任務(wù)代碼如下．

表2 堆棧保存/恢復(fù)代碼

圖4給出了測試任務(wù)調(diào)度流程．通過Freescale xPC560B EVB硬件平臺(tái)進(jìn)行測試，LED0每隔4s改變一次狀態(tài)，LED1每隔2s改變一次狀態(tài)，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)計(jì)正常運(yùn)行，表明移植成功．

4 結(jié)論

本文通過分析μC/OS－II內(nèi)核特點(diǎn)及其多任務(wù)切換機(jī)制，結(jié)合e200z0內(nèi)核和MPC5604B的特點(diǎn)，成功的將μC/OS－II移植到基于Power Architecture○R架構(gòu)的32位微控制器MPC5604上，并在移植后進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了移植的可行性．

在MPC5604B上成功移植μC/OS－II以后，可以在此基礎(chǔ)上對汽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化．例如，針對汽車變速器控制單元(TCU)控制程序中的離合器控制、換擋控制、起步控制、信號(hào)采集等進(jìn)行多任務(wù)設(shè)計(jì)，結(jié)合MPC5604B高速、高精度和μC/OS－II高實(shí)時(shí)性、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化TCU控制程序，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性．

[1] MPC5604B/C Microcontroller Product Brief Rev．3[R]．Freescale Semiconductor，Inc，2009．10．

[2] MPC5604B/C Microcontroller Reference Manual Rev．8[R]．Freescale Semiconductor，Inc，2011．5．

[3] [美]Jean J．Labrosse．邵貝貝，譯．嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－II(第二版)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003．

[4] 劉凱，張立民，趙小峰，等．μC/OS－II在微處理器LM3S8962上的移植[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(1):47 －50．

[5] [美]Richard Soja，Munir Bannoura．龔光華，宮輝，安鵬，等譯．MPC5554/5553微處理器揭秘[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．

[6] Errata to EREF:A Programmer’s Reference Manual for Freescale Book E Processors，Rev．0．2[R]．Freescale Semiconductor，Inc ，2006．12．

[7] xPC560B EVB User Manual Rev．1．01[R]．P＆E Microcomputer Systems，Inc，2008．