基于Cortex-M3處理器的uC/OS-II移植方法的研究

王宜結

(淮南師范學院 電氣信息工程學院，安徽 淮南 232038)

1 引言

隨著應用系統(tǒng)復雜程度的不斷提高，程序編制也變得越來越難控制。解決復雜問題的最好辦法就把它分解成一個個相對簡單的問題，即一個個單獨的任務，分而治之。UC/OS-II是一個實時多任務操作系統(tǒng)，因其短小精悍又源代碼開放，在一些小型系統(tǒng)中得到了較廣泛的應用。在MCU上加載uC/OS-II操作系統(tǒng)，再對每個問題編寫相應的任務代碼，就可以實現(xiàn)復雜的控制和應用。

2 UC/OS-II簡介

uC/OS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)，最多可管理64個任務，可固化，可剪裁，具體高穩(wěn)定性和可靠性。它包含了實時內(nèi)核、任務管理 、時間管理、任務間通信同步(信號量 ，郵箱，消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語言寫成，與硬件相關部分用匯編語言編寫，最鮮明的特點是源代碼是公開免費的，便于移植和維護。uC/OS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10KB，如果經(jīng)過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3KB左右。RAM的占用量與系統(tǒng)中的任務數(shù)及堆棧空間大小有關，堆棧的大小取決于任務的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套層數(shù)。應用程序的時間精度由系統(tǒng)時鐘節(jié)拍決定，uC/OS-II需要用戶提供周期性的時鐘信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時，一般時鐘節(jié)拍在10到100Hz之間，因為uC/OS-II在每一個節(jié)拍都要檢查有沒有更高優(yōu)先級的就緒任務在等待執(zhí)行 ，若有 ，就要進行任務切換。所以時鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負荷就越重。

3 uC/OS-II移植到Cortex-M3處理器的詳細過程

移植就是要修改與處理器有關部分的代碼，也就是要修改以下三個文件：OS_CPU.H、OS_CPU.C及OS_CPU_A.ASM。其中OS_CPU.H文件包括了用#define語句定義的與處理器相關的常數(shù)、宏以及數(shù)據(jù)類型。對于Cortex-M3，用于開中斷和關中斷的兩個宏可定義如下：

#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr=OS_CPU_SR_Save();}

#define OS_EXIT_CRITICAL()

{OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}

這兩個宏用匯編代碼實現(xiàn)如下：

OS_CPU_SR_Save;這個函數(shù)用于關中斷

MRS R0,PRIMASK

CPSID I;關閉除硬fault以處的全部可屏蔽中斷

BX LR;函數(shù)返回

OS_CPU_SR_Restore;這個函數(shù)用于開中斷

MSR PRIMASK,R0;回到關中斷之前的狀態(tài)

BX LR;函數(shù)返回

uC/OS-II用宏“OS_STK_GROWTH”來設置堆棧的增長方向，值為0時表示堆棧從低地址向高地址增長，值為1則相反。由于Cortex-M3內(nèi)核的堆棧是向下生長的滿棧，故應把宏定義成“#define OS_STK_GROWTH 1”。定義數(shù)據(jù)類型宏比較簡單，這里就不介紹了。

在OS_CPU.C文件中要求我們必須編寫10個簡單的C函數(shù)，它們是：

OSTaskStkInit();OSInitHookBegin();OSInitHook-End();OSTaskCreateHook();OSTaskDelHook();OSTask-IdleHook();OSTaskStatHook();OSTaskSwHook();OSTCBInitHook();OSTimeTickHook()。在這10個函數(shù)中唯一必要的是OsTaskStklnt()函數(shù)。其他9個函數(shù)是為了擴展用戶功能而定義的鉤子函數(shù)，這些鉤子函數(shù)必須聲明，但可以都為空函數(shù)，也可以加上一些用戶需要的擴展功能。OsTaskStklnt()被任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateEXT()調(diào)用，用來初始化任務的堆棧，任務堆棧通常用數(shù)組來定義。OsTaskStklnt()函數(shù)首先將用戶為任務分配的堆棧棧底地址賦值給一個堆棧型指針變量，然后再通過這個堆棧指針向任務的?？臻g寫入初值。初始化后任務堆棧圖1所示（堆?？臻g大小為SIZE），其中task為要創(chuàng)建的任務代碼首地址，其他15個寄存器的值可為任意值，通常初始化為0。OsTaskStklnt()返回任務堆棧指針，這個指針在任務創(chuàng)建函數(shù)調(diào)用任務控制塊初始化函數(shù)OS_TCBInit（）后存入任務控制塊中。

圖1 初始化后的堆棧

OS_CPU_A.ASM文件：在此文件中需改寫 4個簡單匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。

下面詳細分析這幾個函數(shù)的實現(xiàn)過程：

OSStartHighRdy()：這個函數(shù)被 OSStart()調(diào)用，并且只執(zhí)行一次，它的主要功能是觸發(fā)PendSV異常，PendSV異常的核心工作是任務的切換，對Cortex-M3內(nèi)核，其代碼可以寫成：

PendSV_Handler

CPSID I;關中斷

MRS R0,PSP;當前堆棧指針送給R0，首次運行任務時，PSP此前被置為0了。

CBZ R0,OSPendSV_nosave;首次運行任務時，不保存運行環(huán)境

SUBS R0,R0,#0x20;保存R4-R11到當前任務的堆棧

STM R0,{R4-R11};R0為當前任務的堆棧指針，要把它存到當前任務控制塊中去

LDR R1,=OS_TCBCur;OSTCBCur-〉OSTCBStkPtr〈=當前任務SP;

LDR R1,[R1]；任務控制塊的第一個單元存放的是堆棧指針

STR R0,[R1];R0 isSP ofprocessbeing switched out;

至此，當前任務的上下文都保存起來了OSPendSV_nosave

PUSH {R14};需要保護 LR exc_return值

LDR R0,__OS_TaskSwHook;調(diào) 用 OSTaskSwHook();

BLX R0

POP {R14}

LDR R0,__OS_PrioCur;OSPrioCur=OSPrio-HighRdy;

LDR R1,__OS_PrioHighRdy

LDRB R2,[R1]

STRB R2,[R0]

LDR R0,__OS_TCBCur;OSTCBCur =OSTCBHighRdy;

LDR R1,__OS_TCBHighRdy

LDR R2,[R1]

STR R2,[R0]

LDR R0,[R2];R0是新的進程堆棧指針SP：SP 〈=OSTCBHighRdy-〉OSTCBStkPtr;

LDM R0,{R4-R11};從待運行任務的堆棧中恢復R4-R11

ADDS R0,R0,#0x20

MSR PSP,R0;PSP〈=新的進程堆棧指針SP

ORR LR,LR,#0x04;確保異常返回后使用進程堆棧

CPSIE I;開中斷

BX LR;異常返回后將恢復待運行任務的上下文

當主函數(shù)調(diào)用OS_START()首次運行多任務時，先查找優(yōu)先級最高的就緒任務，然后調(diào)用OS-StartRdy()觸發(fā)PendSV異常（剛進入異常時，硬件自動保存8個寄存器，使用的是原來的堆棧指針），然后取中斷向量進入中斷服務，再將堆棧指針切換為主堆棧指針MSP。PendSV異常服務程序中，首先判斷是不是第一次運行任務，如果是，則不需要保存任務的運行環(huán)境（因為尚無任務在運行），而只要恢復待運行任務的運行環(huán)境，即把任務堆棧中的16個寄存器（如圖1）的值恢復到相應的寄存器中(這時這個待運行任務的堆棧指針又指向棧底)，這其中包含了待運行任務代碼的入口地址，它會被恢復到程序計數(shù)器PC中，PC得到待運行任務入口地址后就開始運行該任務。

當前運行的任務可能調(diào)用void OSTimeDly(INT16U ticks)函數(shù)來主動延時，這個函數(shù)會使任務延時ticks個時鐘節(jié)拍，并通過調(diào)用OS_Sched();函數(shù)引發(fā)一次任務調(diào)度。通常把這種情況下的調(diào)度稱作任務級調(diào)度，另一種調(diào)度是在中斷返回時進行的，叫做中斷級調(diào)度。OS_Sched()函數(shù)的功能是先查找任務就緒表中優(yōu)先級最高的就緒任務，然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)（這個函數(shù)在os_cpu.h中用宏定義成：“#define OS_TASK_SW()OSCtxSw()”）觸發(fā)PendSV異常完成一次任務切換。PendSV異常從第二次被調(diào)用開始，就要先保存當前正在運行任務的運行環(huán)境 （即壓入R4-R11共8個寄存器，另外8個寄存器（PSR,PC,LR,R12,R3-R0）在進入PendSV異常時由硬件自動壓入待切換任務的堆棧保護）。PendSV異常最后4行的功能是：把待運行任務的堆棧指針賦給進程堆棧指針PSP，然后調(diào)整LR的值，確保返回后使用進程堆棧。由于LR在出入ISR的時候，其值得到了重新的詮釋，這種特殊的值稱為“EXC_RETURN”，EXC_RETURN 的D0位對于Cortex-M3核必須為1(D0=1表示返回Thumb狀態(tài))，D1位保留，D2位非常重要：當D2=0時，從主堆棧中做出棧操作，返回后使用MSP；當D2=1時，從進程堆棧中做出棧操作，返回后使用進程堆棧。所以指令 “ORR LR,LR,#0x04”的功能就是控制從PendSV異常返回時，待運行任務保存在堆棧中的“PSR，PC，LR,R3-R0”這 8 個寄存器能正確地彈出到對應的寄存器中，從而實現(xiàn)恢復現(xiàn)場的目的。EXC_RETURN的D3位的功能是控制返回后進入Handler模式（=0時）還是進入線程模式（=1時）。這里不修改此值是為了返回時仍然進入原來的模式，31：4位必須全為1。

OSIntCtxSw()函數(shù)是中斷級任務切換函數(shù)，即在中斷返回時通過調(diào)用該函數(shù)觸發(fā)PendSV異常實現(xiàn)任務切換，功能與OSCtxSw()幾乎一樣。

OSTickISR()函數(shù)即節(jié)拍中斷服務，其代碼如下：

{OS_CPU_SR cpu_sr;

OS_ENTER_CRITICAL();//保存全局中斷標志,關總中斷，通知uC/OS-II正在開始進行ISR服務

OSIntNesting++;//統(tǒng)計中斷嵌套次數(shù)

OS_EXIT_CRITICAL();//恢復全局中斷標志

OSTimeTick();/*在os_core.c文件里定義，主要判斷延時的任務是否計時到，或正在等待事件的任務是否超時。將到時或超時的任務由原來的掛起狀態(tài)置為就緒狀態(tài)*/

OSIntExit();/*在os_core.c文件里定義，如果有更高優(yōu)先級的任務就緒了,則執(zhí)行一次任務切換。*/}

4 結束語

本文詳細分析了uC/OS的移植過程。因為不同處理器字長、使用的開關中斷指令、堆棧組織方式、寄存器的數(shù)量、進出中斷時的具體行為不同，所以要針對具體使用的處理器來寫這部分代碼，這就是移植的本質(zhì)。本文著重分析了任務切換的詳細過程以及與之關聯(lián)的部分，這也是移植過程的難點所在。實踐表明，上述方法移植后的操作系統(tǒng)工作正常，能長時間穩(wěn)定運行。

[1]陳啟軍.嵌入式系統(tǒng)及其應用[M].上海：同濟大學出版社,2011

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