基于LPC1343的UCOS-II移植

【摘要】本文首先介紹了LPC1343的硬件架構(gòu)和UCOS-II實時操作系統(tǒng)的特點，最后介紹了UCOS-II在LPC1343上移植的方法和注意事項。

【關(guān)鍵詞】LPC1343UCOS-II實時操作系統(tǒng)

[Abstract]The document introduced the hardware structure of LPC1343 and character of real-time Operating system、UCOS-II，then discussed the measures and matters needing attention to transplanting ucos-II.

[Key word]LPC1343， UCOS-II， real-time OS

本文以實時多任務(wù)操作系統(tǒng)UCOS-II為例，介紹了UCOS-II在LPC1343上的移植和應(yīng)用，本文首先介紹了LPC1343的體系機(jī)構(gòu)，然后對UCOS-II的架構(gòu)進(jìn)行了簡單的描述，最后介紹了UCOS-II在LPC1343上的移植和使用方法。

一、系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

LPC1343是飛利浦公司生產(chǎn)的基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。最高運行頻率達(dá)到72M. LPC1343配置有32KB的Flash存儲器、8KB的數(shù)據(jù)存儲器、集成了USB設(shè)備、1個快速模式I2 C接口、1個UART、4個通用定時器。

內(nèi)嵌NVIC控制器，該中斷控制器可對低優(yōu)先級中斷進(jìn)行延時，對外部中斷進(jìn)行有效控制。中斷向量表可重定位，具有軟中斷向量，適合于在使用操作系統(tǒng)時進(jìn)行模式切換。

System Tick定時器，可產(chǎn)生固定的10ms中斷，適合于作為操作系統(tǒng)的時鐘信號。

二、UCOS-II簡介

UCOS-II是一個可裁減的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器。UCOS-II絕大多數(shù)代碼使用ANSI C語言進(jìn)行開發(fā)。僅與CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語言編寫的，總量約200行，目的是便于移植到任何一種CPU上。UCOS-II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。不提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。用可戶根據(jù)需要自行實現(xiàn)。

UCOS-II的架構(gòu)可以分為三層，底層為物理層，主要是嵌入式系統(tǒng)硬件的驅(qū)動包括系統(tǒng)的時鐘信號。中間層為系統(tǒng)層，用于對任務(wù)的管理，它提供了郵箱，信號量，消息隊列同步信號?？梢愿鶕?jù)需要通過配置os_cfg_r.h里定義的宏對UCOS-II進(jìn)行裁剪。最高層為應(yīng)用層，使用者可根據(jù)系統(tǒng)提供的API函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)完成應(yīng)用工作。

三、移植的主要工作

移植UCOS-II時主要解決以下幾個問題：第一.系統(tǒng)時鐘信號怎么產(chǎn)生；第二.初始的任務(wù)堆棧是什么結(jié)構(gòu)，任務(wù)堆棧是遞增堆棧還是遞減堆棧；第三.哪些變量需要保存到堆棧；第四.怎么處理臨界段代碼；第五.任務(wù)之間如何切換。

我們使用System Tick定時器作為系統(tǒng)的時鐘，時鐘頻率為100Hz，當(dāng)系統(tǒng)的任務(wù)已知時，可以對該值進(jìn)行調(diào)節(jié)使系統(tǒng)的負(fù)荷和響應(yīng)速度達(dá)到一個平衡。發(fā)生中斷時，系統(tǒng)對當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行裁決，以決定是否要進(jìn)行任務(wù)切換。時鐘的初始化代碼可用C語言編寫。

任務(wù)堆棧有兩種結(jié)構(gòu)，遞減堆棧和遞增堆棧，遞減堆棧就是堆棧從高地址向低地址方向增長，遞增堆棧就是堆棧從低地址向高地址方向增長。LPC1343的堆棧為遞減堆棧。

LPC1343在發(fā)生中斷時，需要保存的寄存器依次有堆棧指針，xPSR狀態(tài)寄存器，鏈接寄存器R14，R12，R3-R0， R11-R4。當(dāng)然這些寄存器是否保存到堆棧里在實際中與中斷程序的內(nèi)容有關(guān)，但我們在移植UCOS時。必須假設(shè)新的任務(wù)將會使用到這些寄存器，因為操作系統(tǒng)要處理的任務(wù)對于我們來說是未知的。這個將在OSTaskStkInit函數(shù)中用到。

UCOS-II的任務(wù)有5種狀態(tài)，分別為睡眠態(tài)，掛起態(tài)，就緒態(tài)，運行態(tài)，中斷態(tài)。任務(wù)一旦創(chuàng)建即進(jìn)入就緒態(tài)，如果處于就緒態(tài)的任務(wù)優(yōu)先級比正在運行的任務(wù)優(yōu)先級高，則發(fā)生中斷，優(yōu)先級高的任務(wù)得以運行，而被中斷的任務(wù)則處于中斷態(tài)，當(dāng)該高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行完畢且就緒任務(wù)的優(yōu)先級沒有中斷態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級高時，中斷態(tài)的任務(wù)重新進(jìn)入運行態(tài)。當(dāng)運行態(tài)的任務(wù)等待某事件發(fā)生時則進(jìn)入掛起態(tài)。處于掛起態(tài)的任務(wù)當(dāng)某事件發(fā)生時進(jìn)入就緒態(tài)。當(dāng)任務(wù)被刪除時，進(jìn)入休眠態(tài)。處于中斷態(tài)的任務(wù)不能被刪除，否則將引起系統(tǒng)崩潰。

任務(wù)的切換有兩種情況，第一種是高優(yōu)先級的任務(wù)因等待某事件的發(fā)生而請求掛起，使低優(yōu)先級的任務(wù)得以運行，這種情況下通過調(diào)用OSCtxSw函數(shù)進(jìn)行任務(wù)切換。這種任務(wù)稱為任務(wù)級任務(wù)；第二種情況是高優(yōu)先級的任務(wù)出現(xiàn)，在System Tick中斷服務(wù)程序中直接切換到高優(yōu)先級的任務(wù)，這種任務(wù)稱為中斷級任務(wù)。中斷級任務(wù)的切換通過OSIntCtxSw函數(shù)實現(xiàn)。OSCtxSw的示例代碼如下：

OSCtxSw

PUSH {R4， R5}

LDR R4， =NVIC_INT_CTRL

LDR R5， =NVIC_PENDSVSET；觸發(fā)軟件中斷

STR R5， [R4]

POP {R4， R5}

BX LR

OSIntCtxSw函數(shù)也由匯編語言實現(xiàn)，由于代碼同OSCtxSw類似，這里不再列出。

臨界段代碼指的是系統(tǒng)執(zhí)行的不可分割的代碼，這些代碼一旦執(zhí)行就不允許從中打斷，所以在執(zhí)行臨界段代碼前必須關(guān)中斷，在臨界段代碼執(zhí)行結(jié)束后必須立即開中斷，所以臨界段代碼必須精簡，以確保系統(tǒng)的運行效率。進(jìn)入和退出臨界段代碼的例程如下：

OS_ENTER_CRITICAL；進(jìn)入臨界段的示例代碼

CPSID I；禁止所有中斷

PUSH {R1，R2}

LDR R1， =OsEnterSum；OsEnterSum++

LDRB R2， [R1]

ADD R2， R2， #1

STRB R2， [R1]

POP {R1，R2}

BXLR

OS_EXIT_CRITICAL；退出臨界段的示例代碼

PUSH {R1， R2}

LDR R1， =OsEnterSum；OsEnterSum--

LDRB R2， [R1]

SUB R2， R2， #1

STRB R2， [R1]

MOV R1， #0

CMP R2， #0；如果OsEnterSum=0，使能中斷

MSREQ PRIMASK， R1；恢復(fù)PRIMASK寄存器的值

POP {R1， R2}

BX LR

任務(wù)切換時首先將當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)的狀態(tài)保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中，從待運行的新任務(wù)的任務(wù)堆棧中獲取該任務(wù)的運行狀態(tài)，執(zhí)行新任務(wù)。CPU的內(nèi)部寄存器越多，需要保存和獲取任務(wù)狀態(tài)時消耗的時間也越多，因此System Tick的最短時間不得小于這個切換所要消耗的時間。

本文定義了3個任務(wù)，分別為USB接收幀處理任務(wù)，應(yīng)用處理任務(wù)，USB發(fā)送幀任務(wù)處理。當(dāng)USB接收到應(yīng)用層的命令時，進(jìn)行接收幀處理；提取有效命令，進(jìn)行應(yīng)用命令處理；回送響應(yīng)數(shù)據(jù)。任務(wù)之間通過郵箱進(jìn)行同步。

OSTaskCreate （TaskUSBRecvFrameProcess， （void *）0，UsbRecvBuf[TASK_STK_SIZE-1]， TASK_PRIO+5）；

OSTaskCreate （TaskFrameProcess，（void *）0，CmdProcessBuf[TASK_STK_SIZE×2]，TASK_PRIO+7）；

OSTaskCreate（TaskUsbSendFrameProcess， （void *）0，UsbSendBuf[TASK_STK_SIZE-1]， TASK_PRIO+4）；

經(jīng)過整體測試和壓力測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期功能。