μC/OS-II的應(yīng)用設(shè)計(jì)

凌 云

（建東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州213022）

0 引言

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用戶可以集中精力于特殊應(yīng)用的嵌入式軟件的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了開(kāi)發(fā)效率。

μC/OS-II 是一個(gè)開(kāi)放源代碼的，精簡(jiǎn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核。 它功能強(qiáng)大，提供了任務(wù)管理、進(jìn)程調(diào)度、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理等功能。 更重要的是，μC/OS-II 自1992 年的第一版（μC/OS）以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)應(yīng)用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。 下面將介紹的是如何將μC/OS-II 移植到TI 公司高性能定點(diǎn)DSP TMS320LF2407 上。

1 μC/OS-II 在TMS320LF2407 上的移植

μC/OS-II 的移植條件是：只要該處理器有堆棧，有CPU 內(nèi)部寄存器入棧、出棧指令；使用的C 編譯器支持內(nèi)嵌匯編（inline assembly）或者該C 語(yǔ)言可擴(kuò)展，可連接匯編模塊，使得關(guān)中斷、開(kāi)中斷能在C 語(yǔ)言程序中實(shí)現(xiàn)。

TMS320LF2407 是由美國(guó)德州儀器(TI)公司生成的高性能定點(diǎn)DSP[1]。 T1 公司提供的編譯器CodeComposer V4.10. 36 支 持C 語(yǔ) 言 和匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，本文在此編譯器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了μC/OS-II 的移植。CodeComposer V4.10. 36 內(nèi)置編譯器維持一個(gè)C 運(yùn)行環(huán)境， 為了確保C 語(yǔ)言的成功執(zhí)行，所有運(yùn)行時(shí)代碼都必須保持這個(gè)環(huán)境。 在編寫(xiě)匯編和C 代碼的接口函數(shù)時(shí)也必須遵循一些規(guī)則，μC/OS-II 才可以完全移植到TMS320LF2407 上。

μC/OS-II 核心代碼很小，程序開(kāi)發(fā)人員要把它移植到自己的目標(biāo)板中只需做少量的工作。 μC/OS-II 大部分源代碼是用C 語(yǔ)言寫(xiě)的，但是完成和處理器一些相關(guān)的代碼時(shí)， 還是必須要用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寄存器的讀、寫(xiě)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言的存儲(chǔ)和加載指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。要使μC/OS-II 能夠正常工作，處理器必須滿足以下要求：①處理器的C 編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；②用C 語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷；③處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10～100Hz 之間）；④處理器能夠支持容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧；⑤處理器有將堆棧指針和其它寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

2 移植過(guò)程

在移植之前，首先我們需要對(duì)μC/OS-II 的內(nèi)核，特別是任務(wù)切換機(jī)制要有一個(gè)比較深刻的理解， 而具體的移植工作主要是修改μC/OS-II 中與處理器相關(guān)的三個(gè)文件：OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C 以及OS_CPU.H， 此 外 還 需 要 修 改INCLUDES.H 文 件， 以 及 針 對(duì)TMS320LF2407 最多擴(kuò)展64K 程序存儲(chǔ)器的限制修改CFG.H 文件，裁減μC/OS-II，但后兩個(gè)文件改寫(xiě)較簡(jiǎn)單，這里不再贅說(shuō)。

2.1 修改OS_CPU.H

此文件的內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-II 的內(nèi)容進(jìn)行修改， 這里僅給出關(guān)鍵內(nèi)容：

unsigned int INT16U; /* 定義堆棧單位長(zhǎng)度*/

unsigned int OS_STK;

#define OS STK_GROWTH 0 /* 定義堆棧由低地址向高地址遞減*/

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm(” SECT INTM”); /* 開(kāi)關(guān)中斷宏定義*/

#define 0S_EXTI_CRITICAL() asm(” CLRC INTM”);

#define OS_TASI_SW() asm(” INTR 8”); /* 任務(wù)切換宏定義*/

2.2 修改OS_CPU_C.C

在這個(gè)文件中需要用戶定義6 個(gè)C 語(yǔ)言函數(shù)：OSTaskStkInit(),OSTaskCreateHook(),OSTaskDelHook(),OSTaskSwHook(),OSTaskStatHook(),OSTimeTickHook()，實(shí)際必須修改的只有OSTaskStkInit()。

OSTaskStkInit () 函數(shù)是由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate ()或OSTaskCreateExt()調(diào)用，功能是初始化任務(wù)堆棧。任務(wù)堆棧用于任務(wù)切換或中斷發(fā)生時(shí)保護(hù)當(dāng)前任務(wù)的上下文狀態(tài)，以便中斷返回或者任務(wù)下次被調(diào)度運(yùn)行時(shí)能夠接著運(yùn)行。堆棧的結(jié)構(gòu)可以按照自己的需要而定制，考慮到CC2000 的C 語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)支持庫(kù)rts2xx.lib 中已經(jīng)有用于保存中斷上下文的庫(kù)函數(shù)I$$SAVE 和I$$REST（可用Dspar 工具查看這一函數(shù)），為了重用這一庫(kù)函數(shù)，這里按照這一庫(kù)函數(shù)堆棧結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)堆棧，其結(jié)構(gòu)如下圖1 所示：

一些說(shuō)明如下：

（1）第一級(jí)硬件堆棧（HW STACK LEVEL 1）不需要保存，原因是I$$SAVE 是通過(guò)CALL 指令來(lái)調(diào)用，CALL 指令會(huì)使用一個(gè)硬件堆棧用于保存返回地址。所以在保存另外七個(gè)硬件堆棧前會(huì)將第一級(jí)硬件堆棧彈出。

（2）當(dāng)調(diào)度再次發(fā)生時(shí)，通過(guò)調(diào)用與I$$SAVE 對(duì)應(yīng)的I$$REST 來(lái)恢復(fù)被中斷的上下文。

2.3 修改OS_CPU_ASM.ASM

此文件包括的四個(gè)函數(shù)都跟處理器有關(guān)，由于不同的處理器有不同的寄存器， 所以操作系統(tǒng)在這個(gè)文件里給用戶留下四個(gè)函數(shù)接口，以便用戶根據(jù)所選處理器編寫(xiě)相應(yīng)的匯編程序以完成固定的功能。四個(gè)函數(shù)分別是OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。

2.3.1 OSStartHighRdy()

該函數(shù)是由啟動(dòng)函數(shù)OSStart()調(diào)用的，功能是使系統(tǒng)能及時(shí)地運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)，由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)指針OSTCBHighRdy 一直指向就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)控制塊OSTCB，使得OSStartHighRdy()輕易就可獲取最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的棧頂指針，再將保存在此任務(wù)堆棧的寄存器值恢復(fù)到CPU 寄存器中，使該任務(wù)得以運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的啟動(dòng)。 對(duì)下TMS320LF2407 而言，OSStartHighRdy()代碼編寫(xiě)如下:

_OSStartHighRdy:

CALL _OSTaskSwHook;調(diào)用鉤子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶自定義功能

LACK 1; OSRunning = TRUE;

LDPK _OSRunning

SACL _OSRunning

LDPK _OSTCBHighRdy; SP=OSTCBHighRdy-＞OSTCBStkPtr;

LAR AR3, _OSTCBHighRdy

MAR *, AR3

LAR AR1, *

B I$$REST, AR1; 上下文恢復(fù)，任務(wù)返回在調(diào)用函數(shù)OSTaskSwHook()時(shí)，由于當(dāng)前任務(wù)控制塊OSTCBCur仍然指向?qū)⒁磺袚Q出去的任務(wù)，而OSTCBHighRdy 則指向即將被運(yùn)行的任務(wù)，因此用戶可在OSTaskSwHook()中對(duì)它們操作，以實(shí)現(xiàn)特殊的功能，當(dāng)然該函數(shù)也可定義為不做任何事的空函數(shù)。 從程序我們可以看出，要運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，首先得找到該任務(wù)堆棧指針，然后將寄存器內(nèi)容及參數(shù)從堆棧中恢復(fù)到CPU 的寄存器中。

2.3.2 任務(wù)級(jí)上下文切換的實(shí)現(xiàn)函數(shù)OSCtxSw()

前面曾提過(guò)， 任務(wù)切換時(shí)使用了軟中斷， 并將中斷向量指向OSCtxSw()，因此該函數(shù)所要做的就是執(zhí)行任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換。 其目的是為了保證CPU 永遠(yuǎn)運(yùn)行就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。 OSCtxSw()是任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()通過(guò)宏OS_TASK_SW()調(diào)用的，執(zhí)行的是多任務(wù)的調(diào)度功能:不僅要使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得以恢復(fù)運(yùn)行，還得將待切換出去的任務(wù)保存起來(lái)，兩者的差別也可以從程序代碼中比較出來(lái)：

_OSCtxSw:

CALL I$$SAVE

LDPK _OSTCBCur; OSTCBCur-＞OSTCBStkPtr = SP;

LAR AR3, _OSTCBCur

MAR *, AR3

SAR AR1, * , AR1_

OSIntCtxSw:

CALL _OSTaskSwHook;OSTaskSwHook();

LDPK _OSTCBHighRdy;OSTCBCur = OSTCBHighRdy;

BLDD _OSTCBHighRdy,#_OSTCBCur

LDPK _OSPrioHighRdy;OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

BLDD _OSPrioHighRdy,#_OSPrioCur

LDPK _OSTCBHighRdy;SP=OSTCBHighRdy-＞OSTCBStkPtr;

LAR AR3, _OSTCBHighRdy

MAR *, AR3

LAR AR1, *

B I$$REST, AR1

顯然，對(duì)當(dāng)前任務(wù)相關(guān)內(nèi)容的保存、給當(dāng)前優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)賦值以及給當(dāng)前任務(wù)控制塊賦值都是OSStartHighRdy()所不具有的。

2.3.3 時(shí)鐘中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

OSTickISR()也是μC/OS -II 操作系統(tǒng)中要求用戶提供的匯編程序，其具體實(shí)現(xiàn)與中斷級(jí)上下文切換的實(shí)現(xiàn)有很大的關(guān)系， 它是時(shí)鐘中斷服務(wù)程序，主要調(diào)用函數(shù)OSTimeTick()，處理與系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)的工作, 如將每個(gè)任務(wù)的等待時(shí)間減1、更新系統(tǒng)時(shí)間。 OSTickISR()具體代碼如下所示：

_OSTickISR:

CALL I$$SAVE

CALL _OSIntEnter

LAC _OSIntNesting； 保 存 堆 棧 指 針AR1 到 當(dāng) 前OSTCB 的

OSTCBStkPtr;

SUBK 1 BNZ L1

LDPK _OSTCBCur

LAR AR3, _OSTCBCur

MAR *, AR3

SAR AR1, * , AR1

L1: CALL _OSTimeTick

CALL _OSIntExit

BI$$REST,AR1

其中OSTimeTick()函數(shù)定時(shí)對(duì)所有的任務(wù)控制塊中的OSTCBDly減一，當(dāng)某任務(wù)的OSTCBDly 減為零時(shí)，就將其轉(zhuǎn)到就緒態(tài)，以備運(yùn)行。 而OSIntExit()主要用于判別中斷的執(zhí)行是否使得更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)人就緒態(tài)，如有，則進(jìn)行任務(wù)切換，否則返回。 至于時(shí)鐘中斷可由DSP 的定時(shí)器1 的周期計(jì)數(shù)器PRT 產(chǎn)生。

2.3.4 中斷級(jí)上下文切換的實(shí)現(xiàn)函數(shù)OSIntCtxSw()

與OSCtxSw()相比較，OSIntCtxSw()也是執(zhí)行任務(wù)切換的，但它執(zhí)行中斷級(jí)的任務(wù)切換。 不使用現(xiàn)成的OSCtxSw()進(jìn)行切換主要基于這樣的考慮：它是在中斷處理程序中調(diào)用的，類似于OSCtxSw()中保存寄存器的工作在進(jìn)人中斷時(shí)就做過(guò)了。 具體實(shí)現(xiàn)代碼參考函數(shù)OSCtxSw()代碼。

2.4 內(nèi)核的測(cè)試

內(nèi)核移植選用三知公司的SZ－2407IV 作為測(cè)試平臺(tái)， 測(cè)試使用LED 顯示模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊。 本文設(shè)計(jì)了Task0()，Task1()兩個(gè)任務(wù)，Task0()為L(zhǎng)ED 顯示任務(wù)，Task1()為數(shù)字信號(hào)處理模塊，執(zhí)行一次DFT 算法，計(jì)算一個(gè)采樣點(diǎn)的DFT 值。

μC/OS-II 的Tick 時(shí)鐘是周期性中斷， 每1.66ms 觸發(fā)一次，Task0和Task1 在延時(shí)32 個(gè)Ticks 的情況下即20ms 切換一次LED 閃爍顯示一位。 最后觀測(cè)結(jié)果，得到了預(yù)期效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了保證移植的成功并使系統(tǒng)可靠運(yùn)行， 除了要熟悉μC/OS-II和所用的處理器外，熟悉CC 編譯器C 開(kāi)發(fā)環(huán)境也是移植能否成功的一個(gè)關(guān)鍵。 而且，μC/OS-II 在TMS320LF2407 上的移植成功只是第一步，今后還需要對(duì)μC/OS-II 的內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展，例如添加TCP／IP 軟件包，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的需求，使之真正成為一個(gè)可重用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

［1］Jean Labrosse.μC/OS-II, 源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].邵貝貝,譯.北京:中國(guó)電力出版社,2001.

［2］TMS320C2x/C2xx/C5xx Optimizing C Compilaer User’s Guide[Z].Texas Instruments，1999.