-3節(jié)嵌入式系統(tǒng)(uCOS-II移植)模版課件

1、本章學習的主要內(nèi)容：1、ROTS應用舉例2、ROTS概述3、uC/OS-II的工作原理4、uC/OS-II移植本章的重點及難點：1、各模塊的根本原理2、各模塊的綜合應用學習方法：1、讀懂教科書及參考資料代碼2、掌握實驗手冊的相關(guān)內(nèi)容3、加強并投入時間實驗4、做好學習筆記5、uC/OS-II應用實例8/17/2021 第4節(jié) C/OS-II 的移植8/17/20217.1 概述User目錄Main.CMain.HIncludes.HOS_Cfg.HC/OS-II Source目錄OS_CORE.C OS_FLAG.C OS_MBOX.C OS_MEM.C OS_MUTEX.C OS_Q.C OS

2、_SEM.C OS_TASK.C OS_TIME.C OS_TMR.C uCOS_II.HC/OS-II Ports目錄Cortex M3 OS_CPU_C.C OS_CPU_A.ASM OS_CPU.HBSP(板級支持包)Startup.STarget.CTarget.H ARM Cortex-M3 目標板與處理器無關(guān)操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼與處理器有關(guān)需要移植代碼開發(fā)板相關(guān)代碼8/17/2021內(nèi)核文件移植的局部用戶代碼板級代碼主程序8/17/2021ARM Cortex-M3的存放器模型 LM3S系列單片機采用ARM Cortex-M3內(nèi)核；在移植之前，先簡述可見存放器模型。 ARM Corte

3、x-M3總共有20個存放器，每個都是32位寬度。R0-R12 通用寄存器，可存儲數(shù)據(jù)也可存放指針R13 用于存放堆棧指針。實際上有兩個堆棧指針SP_process(進程堆棧)和 SP_main(主堆棧)，但任何時候只有一個是可見的。在本移植中， SP_process用于任務代碼（即線程模式），SP_main用于異常代碼 （即處理模式）。R14 連接寄存器LR。在執(zhí)行分支鏈接指令（BL）或帶交換的分支鏈接指 令（BLX）時，存儲來自PC的返回地址；也用作異常的返回。R15 程序計數(shù)寄存器PC。用于指示當前正被執(zhí)行的指令。根據(jù)不同的指 令，每執(zhí)行一條，PC增加2或增加4。8/17/20218/17

4、/2021狀態(tài)中斷8/17/2021控制存放器8/17/20217.1.1 移植條件移植C/OS-II到處理器上必須滿足以下條件(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼 C/OS是多任務內(nèi)核，函數(shù)可能會被多個任務調(diào)用，代碼的重入性是保證完成多任務的根底?？芍厝氪a指的是可被多個體任務同時調(diào)用，而不會破壞數(shù)據(jù)的一段代碼，或者說代碼具有在執(zhí)行過程中打斷后再次被調(diào)用的能力。舉例說明：Swap1函數(shù)代碼：Int temp;void swap1(int *x,int *y) temp=*x; *x=*y; *y=temp;舉例說明：Swap2函數(shù)代碼：void swap2(int *x,int *y) i

5、nt temp; temp=*x; *x=*y; *y=temp;可重入不可重入編譯器還得支持，MDK開發(fā)環(huán)境，可生成可重入代碼8/17/20212用C語言可翻開和關(guān)閉中斷 ARM處理器核包含一個CPSR存放器，該存放器包括一個全局的中斷禁止位，控制它便可翻開和關(guān)閉中斷。PRIMASK3處理器支持中斷并且能產(chǎn)生定時中斷 C/OS-II通過處理器產(chǎn)生的定時器中斷來實現(xiàn)多任務之間的調(diào)度。ARM Cortex-M3的處理器都支持中斷并能產(chǎn)生定時器中斷，專門有一個SysTick定時器來實現(xiàn)。(4)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧通常需要幾十KByte字節(jié) 比方AT98C51處理器，內(nèi)部只有128

6、字節(jié)的RAM，要運行，需外擴RAM。CM3的芯片，內(nèi)部可多達128KByte的容量，因此可直接使用。5處理器有將堆棧指針和其他CPU存放器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存的指令 C/OS-II進行任務調(diào)度時，會把當前任務的CPU存放器存到此任務的堆棧中，然后，再從另一個任務的堆棧中恢復原來的工作存放器，繼續(xù)運行另一個任務。所以，存放器的入棧和出棧是C/OS-II多任務調(diào)度的根底。運行TCP、UDP需要的內(nèi)存會更大，通常要100K左右8/17/20217.1.2 移植步驟 所謂移植，就是使一個實時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上或微控制器平臺上運行。由C/OS-II的文件系統(tǒng)可知，在移植過程中，用戶需要關(guān)

7、注的就是與處理器相關(guān)的代碼。這局部包括一個頭文件OS_CPU.H、一個匯編文件OS_CPU_A.ASM和一個C代碼文件OS_CPU_C.C。OS_CPU.HOS_CPU_C.COS_CPU_A.ASM#define設置一個常量的值聲明10個數(shù)據(jù)類型用#define聲明三個宏用C語言編寫六個簡單的函數(shù)編寫四個匯編語言函數(shù)移植實際中，寫一個就行8/17/20211、INCLUDES.HINCLUDES.H是一個頭文件，它在所有.C文件的第一行被包含。 #include includes.h INCLUDES.H使得用戶工程中的每個.C文件不用分別去考慮它實際上需要哪些頭文件。使用INCLUDES.

8、H的唯一缺點是它可能會包含一些實際不相關(guān)的頭文件。這意味著每個文件的編譯時間可能會增加。但由于它增強了代碼的可移植性，所以我們還是決定使用這一方法。用戶可以通過編輯INCLUDES.H來增加自己的頭文件，但是用戶的頭文件必須添加在頭文件列表的最后。2、根本配置和定義OS_CPU.H(1)用#define 設置一個常量的值#ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#else #define OS_CPU_EXT extern#endif8/17/2021(2)定義與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型 為了保證可移植性，程序中沒有直接使用C語言中的short、int和long

9、等數(shù)據(jù)類型的定義，因為它們與處理器類型有關(guān)，隱含著不可移植性。程序中自己定義了一套數(shù)據(jù)類型，如INT16U表示16位無符號整型。對于ARM這樣的32位內(nèi)核，INT16U是unsigned short型；如果是16位處理器，那么是unsinged int型。typedef unsigned char BOOLEAN; /* Boolean 布爾變量 */typedef unsigned char INT8U; /* 無符號8位實體 */ typedef signed char INT8S; /* 有符號8位實體 */ typedef unsigned short INT16U; /* 無符號16

10、位實體 */typedef signed short INT16S; /* 有符號16位實體 */typedef unsigned int INT32U; /* 無符號32位實體 */typedef signed int INT32S; /* 有符號32位實體 */typedef float FP32 /* 單精度浮點數(shù) */typedef double FP64; /* 雙精度浮點數(shù) */typedef unsigned int OS_STK; /* 堆棧是32位寬度 */ typedef unsigned int OS_CPU_SR; /* 申明狀態(tài)存放器是32位 */C/OS-II內(nèi)核的

11、代碼需要與處理器位有關(guān)8/17/2021(3)定義臨界段允許和禁止中斷宏 與所有實時內(nèi)核一樣，C/OS-II需要先禁止中斷，再訪問代碼的臨界區(qū)，并且在訪問完畢后，重新允計中斷。這就是C/OS-II能夠保護臨界段代碼免受多任務或中斷效勞例程ISR的破壞。中斷禁止時間是商業(yè)實時內(nèi)核公司提供的重要指標之一，因為它將影響到用戶的系統(tǒng)對實時事件的響應能力。雖然C/OS-II盡量使中斷禁止時間到達最短，但是C/OS-II的中斷禁止時間還主要依賴于處理器結(jié)構(gòu)和編譯器產(chǎn)生的代碼的質(zhì)量。通常每個處理器都會提供一定的指令來禁止/允許中斷，因此用戶的C編譯器必須由一定的機制來直接從C中執(zhí)行這些操作。OS_ENTER

12、_CRITICAL()OS_EXIT_CRITICAL()C/OS-II定義了兩個宏來禁止和允許中斷：#define OS_CRITICAL_METHOD 3 #define OS_ENTER_CRITICAL() cpu_sr = OS_CPU_SR_Save(); #define OS_EXIT_CRITICAL() OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);OS_CPU_A.ASM中具體實現(xiàn)C/OS-II定義了三種方法關(guān)閉和翻開中斷 OS_CRITICAL_METHED=1,2,3，通常情況下，我們都是選用的方法3。8/17/2021OS_CPU_SR_Save MRS R0,

13、PRIMASK CPSID I BX LROS_CPU_SR_Restore MSR PRIMASK, R0 BX LR關(guān)中斷開中斷(4)定義棧的增長方向C/OS-II使用結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH來指定堆棧的增長方式：置OS_STK_GROWTH為0，表示堆棧從下往上增長；置OS_STK_GROWTH為1，表示堆棧從上往下增長。Cortex-M3支持從上往下增長的方式。因此，我們在移植時，需將OS_STK_GROWTH=1，如果是51系列單片機，那么OS_STK_GROWTH=0。#define OS_STK_GROWTH 1 8/17/2021(5)定義OS_TASK_SW()宏，

14、任務級上下文切換 任務級上下文切換即任務切換調(diào)用宏定義OS_TASK_SW()。因為上下文切換跟處理器有密切關(guān)系，OS_TASK_SW()實質(zhì)上是調(diào)用匯編函數(shù)OSCtxSW() ，它在OS_CPU_A.ASM文件中定義。#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()OSCtxSw PUSH R4, R5 LDR R4, =NVIC_INT_CTRL ; 觸發(fā)軟件中斷 LDR R5, =NVIC_PENDSVSET STR R5, R4 POP R4, R5 BX LR原型如下:翻開MDK查看原始代碼NVIC_INT_CTRL EQU 0 xE000ED04 NVIC_PENDSV

15、SET EQU 0 x10000000 當執(zhí)行完這段代后，自運的產(chǎn)生PendSV中斷，也即14號異常，自動跳到14號異常效勞程序執(zhí)行。在本移植中那么會直接去執(zhí)行：OSPendSV局部內(nèi)容8/17/2021中斷控制及狀態(tài)存放器ICSR 0 xE000_ED04 設置1將掛起中斷8/17/2021#ifndef _OS_CPU_H#define _OS_CPU_H #ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#else#define OS_CPU_EXT extern#endif/* Date types(Compiler specific) 數(shù)據(jù)類型和編譯器相關(guān)

16、 */typedef unsigned char BOOLEAN; /* Boolean 布爾變量 */typedef unsigned char INT8U; /* Unsigned 8 bit quantity */ typedef signed char INT8S; /* Signed 8 bit quantity */ typedef unsigned short INT16U; /* Unsigned 16 bit quantity */typedef signed short INT16S; /* Signed 16 bit quantity */typedef unsigned

17、 int INT32U; /* Unsigned 32 bit quantity */typedef signed int INT32S; /* Signed 32 bit quantity */typedef float FP32; /* Single precision floating point*/typedef double FP64; /* Double precision floating point */typedef unsigned int OS_STK; /* wide 堆棧是32位寬度 */ typedef unsigned int OS_CPU_SR; /* Defi

18、ne size of CPU statusregister */* Method of critical section management 臨界區(qū)管理方法*/#define OS_CRITICAL_METHOD 4/* Other definitions 其他定義 */#define OS_STK_GROWTH 1 #define OS_TASK_SW() OSCtxSw()/* Prototypes(see OS_CPU_A.ASM) 原型聲明見OS_CPU_A.ASM*/#if OS_CRITICAL_METHOD = 4void OS_ENTER_CRITICAL (void);vo

19、id OS_EXIT_CRITICAL (void); #endifvoid OSCtxSw (void);void OSIntCtxSw (void);void OSStartHighRdy (void);void OSPendSV (void);OS_CPU_EXT INT32U OsEnterSum; #endif/* END FILE*/8/17/20213、移植匯編語言編寫的4個與處理器相關(guān)的函數(shù)OS_CPU_A.ASM(1)OSStartHighRdy()：運行優(yōu)先級最高的就緒任務OSStartHighRdy()OSCtxSw()OSIntCtxSw()OSTickISR() OS

20、StartHighRdy()函數(shù)是在OSStart()多任務啟動之后，負責從最高優(yōu)先級任務的TCB控制中獲得該任務的堆棧指針SP，并通過SP依次將CPU現(xiàn)場恢復。這時系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)立的任務進程，直到該任務被阻塞或都被其他更高優(yōu)先級的任務搶占CPU。該函數(shù)僅僅在多任務啟動時被執(zhí)行一次，用來啟動最高優(yōu)先級的任務執(zhí)行。移植該函數(shù)的原因是，它涉及將處理器存放器保存到堆棧的操作。8/17/2021OSStartHighRdy LDR R4, =NVIC_SYSPRI2 ; set the PendSV exception ; priority設置PendSV優(yōu)先級 LDR R5, =NVIC_

21、PENDSV_PRI STR R5, R4 MOV R4, #0 ; set the PSP to 0 for initial ; context switch call 使PSP等于0 MSR PSP, R4 LDR R4, =OSRunning ; OSRunning = TRUE MOV R5, #1 STRB R5, R4 LDR R4, =NVIC_INT_CTRL ; trigger the PendSV exception ; 觸發(fā)軟件中斷 LDR R5, =NVIC_PENDSVSET STR R5, R4 CPSIE I ; enable interrupts at proc

22、essor ; level使能所有優(yōu)先級的中斷OSStartHang B OSStartHang8/17/2021(2)OSCtxSw()：任務優(yōu)先級切換函數(shù) 該函數(shù)由OS_TASK_SW()宏調(diào)用，OS_TASK_SW()由OSSched()函數(shù)調(diào)用，OSSched()函數(shù)負責任務之間的調(diào)度。OSCtxSw()函數(shù)的工作是，先將當前任務的CPU現(xiàn)場保存到該任務的堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務的堆棧指針，并從該堆棧中恢復此任務的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)行，該函數(shù)就完了一次任切換。OSCtxSw PUSH R4, R5 LDR R4, =NVIC_INT_CTRL ; 觸發(fā)軟件中斷 LDR R5,

23、 =NVIC_PENDSVSET STR R5, R4 POP R4, R5 BX LR產(chǎn)生PendSV異常 PendSV并沒有馬上執(zhí)行，因為OS_TASK_SW()實際是OSCtxSw()被調(diào)用前中斷是關(guān)閉的。PednSV只能在中斷使能后才能執(zhí)行。OS_TASK_SW()總是被OS_Sched()調(diào)用見OS_CORE.C文件8/17/20218/17/2021觸發(fā)PendSV異常當PendSV使能，執(zhí)行此后將進入中斷效勞程序8/17/2021(3)OSInitCtxSw()：中斷級的任務切換函數(shù) 該函數(shù)由OSIntExit()調(diào)用。由于中斷可能會使更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，因此，為了讓更高

24、優(yōu)先級的任務能立即運行，在中斷效勞子程序的最后，OSInitExit()函數(shù)會調(diào)用OSInitCtxSw()做任務切換。這樣做的目的主要是能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務得到響應，保證系統(tǒng)的實時性能。 OSInitCtxSw()與OSCtxSw()都是用于任務切換函數(shù)，其區(qū)別在于，在OSIntCtxSw()中無需再保存CPU存放器，因為在調(diào)用OSIntCtxSw()之前已發(fā)生了中斷，OSIntCtxSw()已將默認的CPU存放器保存到被中斷的任務堆棧中。OSIntCtxSw PUSH R4, R5 LDR R4, =NVIC_INT_CTRL; 觸發(fā)軟件中斷 LDR R5, =NVIC_PENDSV

25、SET STR R5, R4 POP R4, R5 BX LR NOPOSCtxSw() OSIntCtxSw()這兩個函最終都會觸發(fā)PendSV異常8/17/2021OSPendSV()函數(shù) OSPendSV()是PendSV(可掛起中斷效勞)的中斷處理函數(shù)，它負責C/OS-II的全部上下文切換。這是ARM Cortex-M3提倡的上下文切換方法。使用這程方法的好處理當發(fā)生任何的異常時，Cortex-m3自動保存CPU的一半通用存放器到預先指定的堆棧中，并且在退出異常前按順序恢復存放器。OSPendSV()只需保存剩下的R4-R11存放器并且調(diào)整好堆棧指針。這種方法速度快，充分表達了ARM

26、Cortex-M3的優(yōu)勢，而且無論是任務還是異常均可觸發(fā)此函數(shù)切換上下文。注意使用前應在Startup.S中申明。8/17/20218/17/2021ARM Cortex-M3任務切換示意圖8/17/2021(4)OSTickISR()：時鐘節(jié)拍中斷效勞函數(shù) 時鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，是由硬件定時器產(chǎn)生的。時鐘節(jié)拍式中斷使得內(nèi)核可將任務延時假設干個整數(shù)時鐘節(jié)拍，以及當任務等待事件發(fā)生時，提供等待超時的依據(jù)。時鐘節(jié)拍頻率越高，系統(tǒng)的額外開銷越大。中斷間的時間間隔取決于不同的應用。 OSTickISR()首先將CPU存放器的值保存在被中斷任務的堆棧中，之后調(diào)用OSIntEnter()。隨后，OSTickISR()調(diào)用OSTimeTick，檢查所有處于延時等待狀態(tài)的任務