ucos在ARM上的移植

1、嵌入式操作系統(tǒng) uC/OS-II 在 ARM 上的移植研究李玉剛（南方醫(yī)科大學(xué)廣州廣東省 510515摘要:隨著 ARM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用 , 建立基于 ARM 構(gòu)架的嵌入式操作系統(tǒng)已成 為當前研究的熱點。文中結(jié)合實例論述了基于 ARM 內(nèi)核的微處理器上的嵌入式 C/OS-II 操 作系統(tǒng)的移植技術(shù) ,介紹了 C/OS-II 系統(tǒng)主要特點 ,提出了移植條件及移植的實現(xiàn)方 案過程 ,對編寫啟動代碼進行了測試驗證通過的整體設(shè)計。關(guān)鍵字: ARM;嵌入式操作系統(tǒng) ;移植; C/OSII中圖分類號 : TP311 文獻標識碼 :AResearch of Porting Embedded-ICI /OpS

2、erating System Based on ARMLiYuGang(Southern medical university, GuangZhou, GuangDong, 510515Abstract:With the applications of ARM technique ,building the embedded operating system based on ARM processor has been a hot point of research. Discusses the porting of C/O-ISI RTOS on ARM kernel architectu

3、re. Introduce primary characteristics of C/OS-II system and presents the prerequisite and realization process of transplant . Finally ,explain the reason of program start code and validate through testing.Keywords: ARM;embedded operating system;porting;-II C/OS1 ARM7 微處理器體系結(jié)構(gòu)和 C/OS-內(nèi)核結(jié)構(gòu)1.1 ARM7 微處理器

4、體系結(jié)構(gòu)90年代 ,ARM32 位嵌人式 RISC(精簡指令集計算機處理器擴展到世界范圍 ,占據(jù) 了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。32 位 RISC處理器受到青睞 ,領(lǐng)先的是 ARM (Advanced RISC Machines嵌入式微處理器系列。 ARM 公 司專注于設(shè)計 ,其內(nèi)核耗電少、成本低、功能強 ,特有 16 /32位雙指令集。 ARM 已成 為移動通信、手持計算、多媒體數(shù)字消費等嵌入式解決方案的RISC 標準。在所有ARM 處理器系列中 , ARM7 處理器系列應(yīng)用最廣 , 采用 ARM7 處理器作為內(nèi)核生產(chǎn) 芯片的公司最多。ARM7 系列為低功耗 32

5、位核,最適用于對價位和功耗敏感的消費類產(chǎn)品。ARM7 系列的特點是 :具有嵌入式 ICE-RT 邏輯;非常低的功耗 ;能提供 0.9 106 條指 令/MHz 的 3 級流水線和馮 諾依曼結(jié)構(gòu)。ARM7 的主要應(yīng)用領(lǐng)域為 :因特網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動電話 等多種多樣的媒體和嵌入式應(yīng)用。 ARM7 系列具體可分為 ARM7TDMI 、 ARM7TDMI-S 、ARM720T 、ARM7EJ 等型號。1.2 C/O-S內(nèi)核結(jié)構(gòu)C/OS是源碼公開的實時操作系統(tǒng) ,后來推出的 C/OS-是它的升級版本 ,它的 全部源代碼約有 5500行,結(jié)構(gòu)非常簡潔。對于普通用戶來說 ,在 Intern

6、et上就能找到 完整的嵌入式實施內(nèi)核的源代碼。至今 ,從 8位到 64位, C/O-S已在超過 40種不 同的微處理器上運行。世界上已有數(shù)千人在各個領(lǐng)域中使用C/OS-,這些領(lǐng)域包括:照相機行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂器、發(fā)動機控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機及工業(yè)機器人等。許多高校將C/OS-用于實時教學(xué)系統(tǒng)。 C/OS-體系結(jié)構(gòu)見圖 1。圖1 C/O-S體系結(jié)構(gòu) 2 C/O-SII 的移植2.1 uC/OS-II 內(nèi)核移植要點uC/OS-II 其 90%的代碼是用 C語言寫的 ,可以直接移植到有 C 語言編譯器的處 理器上,但 是移植工作主要都集中在多任務(wù)切換的實

7、現(xiàn)上 ,因為這部分代碼用來保存 和恢復(fù) CPU現(xiàn)場（即寫/讀相關(guān)寄存器 , 不能用 C語言,只能使用匯編語言完成。將 uC/OS-II 移植到 ARM 處理器上 ,需要修改三個與 ARM 體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件。以下 分別介紹這三個文件的移植工作。(1OS_CPU.H 文件* 數(shù)據(jù)類型定義數(shù)據(jù)類型的修改與所用的編譯器相關(guān) ,不同的編譯器使用不同的字節(jié)長度表示 同一數(shù)據(jù)類型。* 堆棧單位在任務(wù)切換時 ,C P U 現(xiàn)場的寄存器將保存在當前運行任務(wù)的堆棧中 ,所以 OS_STK 數(shù)據(jù)類型應(yīng)該與 C P U 的寄存器長度一致。* 堆棧增長方向2410A 堆棧由高地址向低地址增長。在函數(shù)調(diào)用時 ,入口參數(shù)

8、和返回地址一般 保存在當前任務(wù)的堆棧中 ,編譯器的編譯選項和由此生成的堆棧指令就會決定堆棧 的增長方向。* 宏定義包括開關(guān)中斷的宏定義 ,以及進行任務(wù)切換的宏定義。(2OS_CPU_C.C 文件* 任務(wù)堆棧初始化任務(wù)初始化時的堆棧設(shè)計 ,也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的 寄存器位置。在 ARM 體系結(jié)構(gòu)下 ,任務(wù)堆?？臻g由高至低依次將保存著 pc、lr 等 寄存器。移植中有兩點需要說明 : 一是, 當前任務(wù)堆棧初始化完成后 ,OSTaskStkInit 返回新的堆棧指 S T K , 在OSTaskCreate執(zhí)( 行時 ,將會調(diào)用 OSTaskStkInit的初始化過程 ,然后通

9、過 OSTCBInit(軟件函數(shù)調(diào)用,將返回的 SP 指針保存到該任務(wù)的 TCB 塊中。二是 ,初始狀態(tài)的堆棧 是模擬了一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu) ,因為任務(wù)創(chuàng)建后并不是直接就獲得執(zhí)行 ,而是通過 OSSched(函數(shù)進行調(diào)度分配 ,滿足執(zhí)行條件后才能獲得執(zhí)行。為了使這個調(diào)度簡單 一致,就預(yù)先將該任務(wù)的 PC 指針和返回地址 LR 都指向函數(shù)入口 ,以便被調(diào)度時從堆 棧中恢復(fù)剛開始運行時的 CPU 現(xiàn)場。* 系統(tǒng)鉤子函數(shù)移植中需要實現(xiàn)幾個操作系統(tǒng)規(guī)定的 hook 函數(shù), 如下:OSSTaskCreateHook(OSTaskDelHook(OSTaskSwHook(OSTaskStatHook(OS

10、TimeTickHook(若無特殊需求 ,只需簡單地將它們都實現(xiàn)為空函數(shù)即可。(3OS_CPU_A.S 文件* OSStartHighRdy(. 此函數(shù)是在 OSStart(多任務(wù)啟動后 ,負責從最高優(yōu)先級任務(wù) 的 TCB 控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針 SP,通過 SP 依次將 CPU 現(xiàn)場恢復(fù) ,這時系 統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進程 ,直到該任務(wù)被阻塞或者被其他更高優(yōu)先 級的任務(wù)搶占 CPU。該函數(shù)僅在多任務(wù)啟動時被執(zhí)行一次 , 即執(zhí)行最高優(yōu)先級任務(wù) 之后多任務(wù)的調(diào)度和切換由以下函數(shù)實現(xiàn)。* OSCtxSw(.任務(wù)級的上下文切換 ,當任務(wù)因為被阻塞而主動請求 CPU 調(diào)度時 被執(zhí)行

11、,由于此時的任務(wù)切換在非異常模式下進行 ,因此區(qū)別于中斷級別的任務(wù)切 換。它的工作是先將當前任務(wù)的 CPU 現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中 ,然后獲得最高優(yōu)先 級任務(wù)的堆棧指針 ,從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的 CPU 現(xiàn)場,使之繼續(xù)執(zhí)行。這樣就完成 了一次任務(wù)切換。* OSIntCtxSw(. 中斷級的任務(wù)切換 ,在時鐘中斷 ISR(中斷服務(wù)例程中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu) 先級任務(wù)等待的時鐘信號到來 ,則在中斷退出后并不返回被中斷任務(wù) ,而是直接調(diào)度 就緒的高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行 ,從而能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到響應(yīng) ,保證系統(tǒng)的 實時性能。其原理基本上與任務(wù)級的切換相同 ,但是由于進入中斷時已經(jīng)保存了被 中斷任務(wù)的 CP

12、U 現(xiàn)場,因此不用再進行類似的操作 ,只需對堆棧指針做相應(yīng)調(diào)整。* OSTickISR(. 時鐘中斷處理函數(shù) ,其主要任務(wù)是負責處理時鐘中斷 ,調(diào)用系統(tǒng)實 現(xiàn)的 OSTimeTick 函數(shù) ,如果有等待時鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù) ,則需要在中斷級別上 調(diào)度其執(zhí)行。其他相關(guān)的兩個函數(shù)是 OSIntEnter(和 OSIntExit(,都需要在 ISR 中執(zhí) 行。*OS_ENTER_CRITICAL( &OS_EXIT_CRITICAL(. 這兩個函數(shù)分別是退出臨界 區(qū)和進入臨界區(qū)的宏指令實現(xiàn)。主要用于在進入臨界區(qū)之前關(guān)閉中斷,在退出臨界區(qū)的時候恢復(fù)原來的中斷狀態(tài)。它的實現(xiàn)比較簡單 ,可以直接開關(guān)中斷

13、來實現(xiàn) ,也可 以通過保存關(guān)閉 / 恢復(fù)中斷屏蔽位來實現(xiàn)。2.2 快速自啟動程序設(shè)計為保證移植代碼以及應(yīng)用代碼在處理器上能夠執(zhí)行 ,還必須為處理器編寫啟動 代碼。啟動代碼簡單地說就是為 Main ( 函數(shù)的運行準備環(huán)境。包括初始化異常向 量表、堆棧以及與目標平臺的相關(guān)定義。啟動程序用匯編語言編寫 ,要完成的任務(wù) 包括:硬件初始化 ,系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的配置 ,復(fù)制二級中斷向量表等 (如圖 2 所示 。圖 2 系統(tǒng)啟動由于系統(tǒng)的資源有限 ,程序首先固化在 ROM 中運行。為提高系統(tǒng)的實時性 ,加 快代碼的執(zhí)行速度 ,系統(tǒng)啟動后程序被搬移到 RAM 中,因為 RAM 的存取速度要比 ROM 快得多 ,這

14、樣大大提升系 統(tǒng)的性能。3 系統(tǒng)測試移植完成后的系統(tǒng)包括 4 個部分 :1 自啟動程序 ;2C/ OS- II 系統(tǒng)文件;3 移植代碼 ;4 應(yīng)用程序。開發(fā)環(huán)境是 ARM 公司提供的 ADS1.2(ARM Developer Suite 。為了驗證C/OS-II 移植的成功 ,創(chuàng)建了下面 3 個任務(wù) :(1 D/A 輸出;(2 A/D 采集 ;(3 LCD 顯示。使用信號量來實現(xiàn)模擬量的采集 (A/D 和模擬量的控制 (D/A 之間的通訊 ,同時模 擬量和控制量通過 LCD 顯示系統(tǒng)運行結(jié)果?？梢杂^測到 ,LCD 顯示的數(shù)據(jù)隨模擬量 的輸出而變化 ,從而驗證移植成功。4 小結(jié) :本文作者創(chuàng)新點

15、是利用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)管理硬件資源 ,進行任務(wù)協(xié)調(diào)方面 設(shè)計,使應(yīng)用程序得以開發(fā)利用。對于普通用戶來說 ,在 Internet上就能找到完整的 C /OS-嵌入式實時內(nèi)核的源代碼?？梢岳闷溟_放的源代碼為今后的移植工作 服務(wù)。從以上的范例實踐中 ,不難看出 C/OS-是一個具有實時操作系統(tǒng)基本功能 的可移植、可裁剪、占先式的實時多任務(wù)內(nèi)核。在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)應(yīng)用 程序有其獨到之處。參考文獻 :1 宋暉,高小明. 基于 ARM 的嵌入式操作系統(tǒng) C/OS-II 的移植.微計算機信 息 ,2006, 2-2: 135-136.2 Jean L. 嵌入式實時操作系統(tǒng) C/ OS- IIM . 邵貝貝譯 . 北京:北京航空航天 大學(xué)出版社 ,2003.3 杜春雷. ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程 M . 北京: 清華大學(xué)出版社 ,2004.4 王田苗. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) 基于 ARM 微處理器 C /OS- 實時操作系統(tǒng) M. 北京:清華大學(xué)出版社 , 2003.5 馬忠梅,徐英慧,等. AT91 系列 ARM 核微控制器結(jié)構(gòu)與開發(fā) M . 北京:北京 航空航天大學(xué)出版社 ,2003.6 Atmel Corpration. AT91R40008 Data Sheet Z . Atmel Corporation ,2003.作者介紹: 李玉剛 (1979-男