原创 μC/OS-II在Cortex-M3系列单片机上的移植

 描述嵌入式操作系统μC/OSII在LM3S系列单片机上实现移植的过程。介绍操作系统的移植原理和方法，以LM3S8962单片机为例给出部分移植函数的代码，并通过一个实例的应用验证移植的正确性。
  
      引言
      　　μC/OSII是一种简单高效、源代码公开的实时嵌入式操作系统，具有良好的扩展性和可移植性，被广泛应用到各种嵌入式处理器上；对于提高产品的质量，减少开发周期和降低成本有着重要的意义。本文以μC/OSII为移植对象，以ARM
      CortexM3内核微处理器为移植目标来讨论其移植过程及应用。
      1  μC/OSII及ARM CortexM3简介
      　　实时操作系统μC/OSII是一个基于优先级的抢占式实时内核，程序可读性强，移植性好，代码固定，可裁剪，非常灵活。至今，从8位到64位，μC/OSII已在超过40种不同架构的微处理器上运行。μC/OSII的主要特点有：是优先级可剥夺的实时多任务操作系统；可处理和调度56个用户任务，任务的优先级可以动态调整；提供任务间通信、同步使用的信号量、邮箱和消息队列；具有良好的可裁剪性，可尽量减小系统的ROM和RAM大小。
      　　ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构，它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。当前ARM系列的处理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM
      11等多个产品。CortexM3内核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能处理器内核，是ARM新型 V7
      指令集结构系列的微控制器版本，可用于企业应用、汽车系统、家庭网络和无线技术等领域。其主要特点是：
      　　① 功耗低；
      　　② 内核的门数少，具有优异的性价比；
      　　③ 中断延时短；
      　　④ 调试成本低；
      　　⑤ 具有嵌套向量中断控制器（NVIC），与处理器内核紧密结合实现低延迟的中断处理；
      　　⑥ 具有可裁减的存储器保护单元（MPU），用于对存储器进行保护。
      2  移植μC/OSII
      　　Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含运行在 50 MHz频率下的ARM CortexM3
      MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、1个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM以及正交编码器（quadrature
      encoder）输入，非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电源设备、步进电机、有刷和无刷DC马达、AC感应电动机等方面的应用。
      　　本移植在如下环境中完成：编译工具采用IAR FOR
      ARM,目标板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962开发板。主机通过LMLINK JTAG连接目标板以建立交叉开发调试环境。
      移植过程中,μC/OSII的核心源代码不用修改,可以直接放在μC/OSII
      Source文件夹中。μC/OSII\\Ports目录存放μC/OSII基于LM3S单片机的移植代码，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三个必要的文件。Target目录中的Startup.S文件是单片机的启动代码和中断向量表，Target.C和Target.H提供单片机初始化函数TargetInit(
      )和其他简单的外设控制API函数。层次结构如图1所示。
      　　将μC/OSII移植到ARM处理器上需要修改3个与ARM体系结构相关的文件： OS_CPU
      .H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分别介绍这3个文件的移植工作。

     

图1
      （1） OS_CPU.H文件
      　　包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定义类型等。
      　　① OS_CPU.H定义的数据类型。在这次移植中μC/OSII重新定义了数据类型，如下所示：
      　　typedefunsigned charBOOLEAN;
      　　typedefunsigned charINT8U;
      　　typedefsigned charINT8S;
      　　typedefunsigned shortINT16U;
      　　typedefsignedshortINT16S;
      　　typedefunsigned intINT32U;
      　　typedefsignedintINT32S;
      　　typedeffloatFP32;
      　　typedefdoubleFP64;
      　　typedefunsigned intOS_STK;
      　　typedefunsigned intOS_CPU_SR;
      　　② 修改与ARM处理器相关的内容。不同处理器的堆栈增长方向是不一样的，ARM
      CortexM3的堆栈是从高地址往低地址增长的，OS_STK_GROWTH设为1，程
      序如下：
      　　#defineOS_STK_GROWTH1
      （2） OS_CPU_C.C文件
      　　在OS_CPU_C.C定义的C函数中，OSTaskStkInit(
      )函数与CPU相关，所以移植代码需要修改该函数。其程序如下（初始化任务时调用此函数初始化任务使用的堆栈）：
      　　OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK
      *ptos,INT16U opt) {
      　　OS_STK *stk;
      　　(void)opt;//防止编译警告
      　　stk=ptos;//装载栈顶指针，即堆栈数组最后的地址模拟中断发生的堆栈情况
      　　*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR
      　　*(stk) =(INT32U)task;//PC,任务入口
      　　*(stk) =(INT32U)0xFFFFFFFEL;//R14(LR)
      　　*(stk) =(INT32U)0x12121212L;//R12
      　　*(stk) =(INT32U)0x03030303L;//R3
      　　*(stk) =(INT32U)0x02020202L;//R2
      　　*(stk) =(INT32U)0x01010101L;//R1
      　　*(stk) =(INT32U)p_arg;//R0,输入参数p_arg模拟任务进程，保存其他寄存器到堆栈
      　　*(stk) =(INT32U)0x11111111L;//R11
      　　*(stk) =(INT32U)0x10101010L;//R10
      　　*(stk) =(INT32U)0x09090909L;//R9
      　　*(stk) =(INT32U)0x08080808L;//R8
      　　*(stk) =(INT32U)0x07070707L;//R7
      　　*(stk) =(INT32U)0x06060606L;//R6
      　　*(stk) =(INT32U)0x05050505L;//R5
      　　*(stk) =(INT32U)0x04040404L;//R4
      　　return(stk);
      }
      （3） OS_CPU_A.ASM文件
      　　μC/OSII的移植需要编写5个简单的汇编语言函数。
      　　① OS_ENTER _CRITICAL( )： 关闭中断源。
      　　② OS_EXIT_CRITICAL( )： 重开中断源。
      　　③ OSStartHighRdy( )： 运行当前优先级最高的任务。
      　　④ OSCtxSw( )： 一个任务放弃CPU使用权时调用。
      　　⑤ OSIntCtxSw（）： 在退出中断服务函数OSIntExit( )中被调用，实现中断级任务切换。
      　　因为LM3S单片机目前只支持8位中断优先级中的高3位，所以这里把1左移5位即是00100000B,其宏定义为OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。
      　　ARM CortexM3使用OSPendSV( )函数快捷地进行上下文切换。OSPendSV( )的C语言表述程序如下：
      OSPendSV：关中断；
      　　if(PSP !=NULL) {
      　　　　保存R4～R11到任务堆栈SP_process;
      　　　　OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;
      　　}
      　　OSTaskSwHook( );
      　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
      　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
      　　PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;
      　　从新任务堆栈中恢复R4~R11;
      　　恢复中断；
      　　异常返回；
      　　完成上述工作后，只要再根据目标板的实际情况编写Target目录中的3个文件，μC/OSII就可以运行在LM3S8962单片机上了。
      3  实际应用
      　　移植工作完成后，编写了一段程序，可以进行CAN通信，按键控制LED灯，通过RS232串口与主机相连实现对SD卡的读写等操作。下面是程序的部分代码：
      staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任务堆栈*/
      staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*启动任务的堆栈*/
      static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任务的堆栈*/
      static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按键任务的堆栈*/
      static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任务的堆栈*/
      OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收数据邮箱*/
      OS_EVENT *DispSem;/*按键信号量 */
      OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信号量*/
      　　在Main.H中定义任务优先级为：
      #defineTASK_START_PRIO0
      #defineTASK_CARD_PRIO1
      #defineTASK_LED_PRIO2
      #defineTASK_KEY_PRIO3
      #defineTASK_CAN_PRIO4
      　　其中创建任务的任务代码为：
      static void taskStart (void*parg) {
      　　(void)parg;
      　　DispSem = OSSemCreate(1);
      　　DispSem1 = OSSemCreate(0);
      　　targetInit();/*初始化目标单片机*/
      　　#if OS_TASK_STAT_EN > 0
      　　OSStatInit();/*使能统计功能*/
      　　#endif
      　　/*在这里创建其他任务*/
      　　OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE  1],
      TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任务*/
      　　OSTaskCreate ( Task_Card,/*创建SD卡操作任务*/
      　　　　(void *)0,
      　　　　&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE  1],
      　　　　TASK_CARD_PRIO );
      　　OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*创建按键操作任务*/
      　　　　&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE  1],
      　　　　TASK_KEY_PRIO);
      　　OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*创建CAN操作任务 */
      　　　　&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE  1],
      　　　　TASK_CAN_PRIO);
      　　while (1) {
      　　　　OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*启动任务可在这里挂起*/
      　　}
      }
      　　SDExample为方便观察SD卡操作任务编写的GUI界面，选好与程序对应的串口波特率，连接好硬件。从图2可以看到，对SD卡可以进行成功操作。

      图2
      结语
      　　μC/OSII作为一个优秀的实时操作系统，已经被移植到各种体系结构的微处理器上。本设计实现了其在LM3S8962上的成功移植，并通过一个实例验证了移植的正确性。本次移植只是做了一些基础性工作，在此基础上还可进行进一步的开发，充分利用LM3S系列单片机的性能和μC/OSII的特点，在检测与维修领域发挥一定作用。
      参考文献
      [1]  Labrosse Jean J. 嵌入式实时操作系统μC/OSII[M]. 邵贝贝，等译.第2版. 北京：
      北京航空航天大学出版社，2003.
      [2]  赵宁，陈明，何鹏举.嵌入式操作系统μC/OSII在ARM上的移植与应用[J].计算机技术与应用,2004(4):29 31.
      [3]  周立功，等.CortexM3开发指南——基于LM3S8000，2007.
      [4]  周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.
      庞海涛（硕士研究生），主要研究方向为光电检测技术。