嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在LPC1788上的移植及應用

薛晴

（北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京100876）

μC/OS-II系統(tǒng)是一款源碼公開的，針對嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核操作系統(tǒng)，與其它實時操作系統(tǒng)如Vxworks，Linux和Windows CE等相比，它比較適用于小型控制系統(tǒng)，同時具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等優(yōu)點[4]。

LPC1788是恩智浦公司于2011年底推出的業(yè)界首款采用ARM?CortexTM-M3技術的微控制器，目前已批量上市。120 MHz的LPC178x系列擁有512 kB閃存、96 kB SRAM和4 kB EEPROM。32位外部存儲控制器支持SDRAM、NOR和SRAM器件，提供4種芯片選擇[2]。其先進的低功耗工藝，特別適用于消費電子、工業(yè)控制、安防、通訊系統(tǒng)，以及需要高速計算的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領域。

由于該款微處理器上市時間較短，目前還沒有μC/OS-II操作系統(tǒng)應用于該款微處理器的移植代碼。文中詳細探討了在IAR6.3集成開發(fā)環(huán)境下，如何在LPC1788處理器上移植μC/OS-II操作系統(tǒng)的過程與實現(xiàn)步驟，該移植與開發(fā)過程已成功地在LPC1788目標板上進行了運行測試。

1 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1. μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設計成一個無限循環(huán)。μC/OS-II與處理器無關的代碼，提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務，應用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務間通信及創(chuàng)建、刪除任務。其中，μC/OS-II內(nèi)核最核心的作用就是對任務的管理。

圖1 μC/OS-II的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of μC/OS-II system

1.2 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核基本工作原理

μC／OS—II的任務擁有自己的代碼和堆?？臻g （保存該任務的寄存器、返回地址和臨時參數(shù)），一般都是空函數(shù)，不會返回任何值。任務執(zhí)行一次后，設置延時參數(shù)OSTCBDly。表明在經(jīng)過OSTCBDly個時鐘周期后再次運行，然后任務進行切換.使其他任務運行。

μC/OS-Ⅱ下的任務有 5種狀態(tài)：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待狀態(tài)、中斷服務態(tài)。調(diào)度就是決定該輪到哪個任務運行了，從而使一就緒的任務切換到運行態(tài)，這是內(nèi)核的主要職責之一。μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級調(diào)度算法的：也就是讓處于就緒態(tài)、優(yōu)先級最高的任務先運行。

2 μC/OS-Ⅱ在LPC1788上的移植

由圖 1可知，μC/OS-Ⅱ的接口文件是 OS_CPU.H，OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM，移植的主要任務是改寫這3個文件的代碼，使μC/OS-Ⅱ能在LPC1788上正常運行。移植工作包括以下幾個內(nèi)容：

2.1 OS_CPU.H中的常量和宏定義

2.1 OS_CPU.H包括了用#defines定義的與處理器相關的常量，宏和類型定義，堆棧寬度和增長方式以及開關中斷的宏定義[6]。

在IAR6.3環(huán)境下改寫該文件時的幾點說明：

1）由于Cortex-M3內(nèi)核堆棧支持從上往下的生長方式，所以L1根據(jù)所選芯片LPC1788支持的類型對宏OS_STK_GRWOTH進行定義，

2）因LPC1788的狀態(tài)寄存器是32位寬，L2，L3定義的os_cpu_sr用于OS_CRITICAL_METHOD#3.中保存中斷狀態(tài)[3]。

3）OS_CPU.H文件中另外3個宏OS_CRITICAL_METHOD，OS_ENTER_CRITICAL （），OS_EXIT_CRITICAL（）用于定義開關中斷的方式及開關中斷的實現(xiàn)。而OS_CPU_SR_Save（）和 OS_CPU_SR_Restore（cpu_sr）的代碼則在OS_CPU_A.asm文件中匯編語言編寫，稍候會詳細介紹。

4）任務級的切換是通過調(diào)用L6的宏OS_TASK_SW（）來實現(xiàn)，OSCtxSw（）的具體代碼在 OS_CPU_A.asm中用匯編語言實現(xiàn)。

2.2 OS_CPU_C.C中的用戶C語言函數(shù)

在OS_CPU_C.C中要求用戶編寫8個簡單的C函數(shù)：OSTaskStkInit （）、OSTaskCreateHook （）、OSTaskDelHook （）、OSTaskSwHook （）、OSTaskStatHook （）、OSTimeTickHook （）、OS_TaskStkIni （）、OS_CPU_SysTickInit （）、OS_CPU_SysTick Handler（），除三個必須的函數(shù) OS_TaskStkIni，OS_CPU_SysTickInit和OS_CPU_SysTickHandler外，其它的5個函數(shù)是鉤子函數(shù)，必須聲明但沒必要包含代碼。

1） OSTaskStkInit（）函數(shù)

定義任務堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkIni（）的具體程序及注釋如下所示：：

μC/OS-Ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源，以實現(xiàn)時間延遲和超時確認功能，時鐘節(jié)拍每秒發(fā)生10～100次。必須在開始多任務后，啟動時鐘節(jié)拍中斷，所以可以在OSStart（）運行之后，μC/OS啟動的第1個任務中調(diào)用OS_CPU_SysTickInit（）初始化節(jié)拍中斷?；贚PC1788移植下的時鐘初始化函數(shù)的OS_CPU_SysTickInit（）的代碼如下所示：OSIntExit（）；} /*告訴 uC/OS-II退出中斷服務程序*/當時鐘節(jié)拍中斷發(fā)生時，CPU會自動把CPU寄存器推人堆棧。當某任務的任務控制塊中時間延時項OSTCBDly減到了零，OSTimtick（）就進入了就緒態(tài)。 OSIntExit（）會調(diào)用中斷級的任務切換函數(shù)OSIntCtxSw執(zhí)行任務切換，而不再執(zhí)行后面的指令。

2.3 OS_CPU_A.ASM中的用戶匯編語言函數(shù)

在OS_CPU_A.ASM中，因為C語言不能直接存取寄存器，用戶在移植μC/OS-Ⅱ的時候，需要用匯編語言編寫5個函 數(shù) ： OS_CPU_SR_Save （）、OS_CPU_SR_Restore （）、OSStartHighRdy （）、OSCtxSw （）、OS_CPU_PendSVHandler （）。如下所示：

1） OS_CPU_SR_Save（）函數(shù)

OS_CPU_SR_Save（）函數(shù)實現(xiàn)用R0保存中斷屏蔽寄存器PRIMASK的狀態(tài)值，該函數(shù)被OS_ENTER_CRITICAL（）宏調(diào)用[3]。

4） OSCtxSw（）函數(shù)

當一個任務放棄對CPU的控制后，OSCtxSw（）就會被調(diào)用以實現(xiàn)任務切換，但對于ARM Cortex-M3來說，所有的任務切換都是由PendSV中斷服務程序來實現(xiàn)的，所以OSCtxSw（）只是簡單觸發(fā)PendSV中斷，然后返回調(diào)用者。

OS_CPU_PendSVHandler（）負責處理 ARM Cortex-M3 所有的任務切換[3]，在該程序開始執(zhí)行時，CPU首先把xPSR、PC、LR、R12，R0-R3和R4-R11寄存器保存到任務堆棧，然后獲得最高優(yōu)先級任務的堆棧指針，將最高優(yōu)先級任務的寄存器按順序從任務堆棧中恢復出來，最后執(zhí)行中斷返回：

不同任務的切換會發(fā)生在停止當前低優(yōu)先級的任務轉(zhuǎn)而去執(zhí)行較高優(yōu)先級任務的情形，這是由一個任務級切換函數(shù)OS_TASK_SW（）實現(xiàn)的，該函數(shù)通過調(diào)用 OSCtxSw（）函數(shù)觸 發(fā) PendSV中 斷 ，PendSV中 斷 服 務 程 序OS_CPU_PendSVHandler完成具體的任務切換操作。OS_CPU_PendSVHandler的編寫實質(zhì)上是通過改變PC中的內(nèi)容來實現(xiàn)的，首先將當前任務環(huán)境保存到相應的任務堆棧中，同時將PC指向新任務開始運行的地方，然后將新任務環(huán)境從堆棧中恢復到相應的寄存器中，最后執(zhí)行中斷返回。在中斷返回時，Cortex-M3將從堆棧中恢復R3-R0，R12，LR，PC和xPSR寄存器，開始運行新任務，從而實現(xiàn)任務的切換。

3 應用測試

文中使用LPC1788目標板對上述移植進行了實驗測試，目標板有四個按鍵和兩個LED，本測試建立了App_TaskStart（）、App_TaskKbd（）、App_TaskLed（）三個任務。 App_TaskStart（）負責硬件初始化及OS初始化，建立消息郵箱及另兩個任務，然后進入無限循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)調(diào)用OSTimeDly（200）以實現(xiàn)延時和任務調(diào)度。App_TaskKbd（）負責查詢按鍵并通過消息郵箱將鍵值發(fā)送給任務App_TaskLed（），App_TaskLed（）根據(jù)鍵值改變LED的閃爍頻率。測試程序通過IAR6.3編譯，把生成的二進制文件固化到LPC1788目標板上，接通電源后可以準確穩(wěn)定地運行，說明在IAR6.3環(huán)境下基于LPC1788的μC/OS-II移植成功。

4 結(jié)束語

文中分析了μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的文件結(jié)構(gòu)及基本工作原理，成功實現(xiàn)了其在LPC1788上的移植。文中相應的源代碼不用作任何改變，直接復制到μC/OS-Ⅱ相應文件中，可順利實現(xiàn)多任務調(diào)度，且運行穩(wěn)定、可靠，可以進行ARM Cortex-M3微控制器LPC17xx系列的各種應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

[1]Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ [M].2版.邵貝貝，譯.北京航空航天大學出版社，2003.

[2]NXP LPC178x/7x preliminary user manual，[EB.OL]2011.http：//www.nxp.com

[3]Micriμm μC/OS-II and ARM Cortex-M3 Processors Application Note（2011）http：//www.Micrium.com

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