uCOS-II在ARM系统上的移植与实现

1、uC OS - II 在 ARM系统上的移植与实现摘要:使用 ARM公司提供的 ADS 开发工具,将 uC/ OS - II 移植到 ARM处 理器 上, 并将移植结果应用在跑马灯和数码管的实现上 ,运行正常,表明移植成功 .关键词:uC/ OS - II ;ARM; 移植0 引言在开发嵌入式系统时 , 一般选择基于 ARM和 uC/ OS - II 的嵌入式开发平台 , 因 为 ARM微 处理器具有处理速度快、超低功耗、价格低廉、应用前景广泛等优点1 . 将 uC/ OS - II 移植到 ARM系 统之后 ,可以充分结合两者的优势 . 如果 一个程序在一个环境里能工作 , 我们经常希望能将

2、它移植到另一个编译系统、处 理器或者操作系统上 , 这就是移植技术 . 移植技术可以使一种特定的技术在更加 广泛的范围使用 ,使软件使用更加灵活 , 不局限于某一条件 .uC/OS - II 是由 Jean J . Labrosse 先生编写的完整的可移植、固化、裁剪的占先式实时多任 务内核.uC/ OS - II 的源代码完全开放 , 这是其他商业实时内核无法比拟的2 . 它是针对嵌入式应用设计的 ,在设计之初就充分考虑了可移植性 , 它的大 部分源代码都是用高可移植性的 ANSIC 编写的3 . uC/ OS - II可以移植到从8 位到 64 位的不同类型、不同规模的嵌入式系统 ,并能在

3、大部分的 8 位、 16 位、32 位、甚至 64 位的微处理器和 DSP 上运行. 由于 uC/ OS - II 是一 个实时操作系统 ,所以如果将它嵌入到 ARM处理器上 ,就能够进一步简化 ARM系 统的开发 .图 1 uC/ OS - II 文件体系结构1 uC/ OS - II 的移植uC/OS - II 的文件系统结构包括核心代码部分、设置代码部分、与处理器相关 的移植代码部分 4 . 结构如图 1 所示.其中最上边的软件应用层是 uC/ OS - II 上的代码 . 核心代码部分包括 7 个源代码文件和 1 个头文件 . 功能分别是 内核管理、事件管理、消息队列管理、存储管理、消

4、息管理、信号量处理、任 务调度和定时管理 . 设置代码部分包括 2 个头文件 , 用来配置事件控制块的数 目以及是否包含消息管理相关代码 . 而与处理器相关的移植代码部分则是进行 移植过程中需要更改的部分 ,包括 1 个头文件 OS CPU. H ,1 个汇编文件 OS CPU A. S 和 1 个 C 代码文件 . 实际上将 uC/ OS - II 移植到 ARM处 理器上 , 需 要完成的工作主要是以下三个与体系结构相关的文件 :OS CPU. H ,OS CPU. C 以及 OS CPU A. S5 .1. 1 OS CPU. H 的移植文件 OS CPU. H 中包括了用 # defi

5、ne 语句定义的与处理器相关的常数、宏以 及类型 . 移植时主要修改的内容有 : 与编译器相关的数据类型的设定 ; 用#define 语句定义 2 个宏开关中断 ; 根据堆栈的方向定义 OS STK GROWT等H.在将 uC/ OS - II 移植到 ARM处 理器上时 , 首先进行基本配置和数据类型定义 .重新定义数据类型是为了增加代码的可移植性 , 因为不同的编译器所提供的同一 数据类型的数据长度并不相同 ,例如 int 型,在有的编译器中是 16 位,而在另外 一些编译器中则是 32 位. 所以,为了便于移植 ,需要重新定义数据类型 ,如 INT32U 代表无符号 32 位整型. ty

6、pedefunsigned int INT8U ,就是定义一个 8位的无符号整型数据类型 . 其次就是对 ARM处 理器相关宏进行定义 ,如 ARM处 理器中的退出临界区和进入临界区的宏定义 , 退出临界区宏定义 5 : # define OS EXITCRITICAL () ARMDisable Int ( ) / /关中断, 进入临界区宏定义# define OS ENTER CRITICAL ( ) AR2MEnableInt () / /开中断. 最后就是堆栈增长方向的设定 . 当进行函数调用时 , 入口参数和返回地址一般都会保 存在当前任务的堆栈中 , 编译器的编译选项和由此生成的堆

7、栈指令就会决定堆栈 的增长方向 6 , 定义为# define OS STK GROWTH 1.图 2 堆栈增长方向1. 2 OS CPU. C 的移植OS CPU. C 的移植包括任务堆栈初始化和相应函数的实现 . 在这里,共有 6 个 函数:OSTaskStkInit( ) , OSSTaskCreateHook ( ) , OSTaskDelHook ( ) , OS2TaskSwHook( ) ,OSTaskStatHook ( ) , OSTimeTickHook () .其中后面的5 个 HOOK函数又称为钩子函数 , 主要是用来对 uC/ OS - II 进行功能扩展 . 这 些

8、函数为用户定义函数 ,由操作系统调用相应的 HOOK函数去执行 ,在一般情况下 他们都没有代码 ,所以实现为空函数即可 . 而函数 OSTaskStkInit ( ) 对堆栈 进行初始化 , 在 ARM系 统中,任务堆栈空间由高到低依次为PC ,LR ,R12 ,R11 , ?,R1 ,R0 ,CPSR ,SPSR. 在进行堆栈初始化以 后,OSTaskStkInit ( )返回新的堆栈栈顶指针 .1. 3 OS CPU A. S 的移植OS CPU A. S 文件的移植需要对处理器的寄存器进行操作 ,所以必须用汇编语言 来编写. 这个文件的实现集中体现了所要移植到处理器的体系结构和uC/ O

9、S -II 的移植原理 6 . 它包括 4 个子函数 :OSStartHighRdy() , OSCtxSw() , OSIntCtxSw() ,OSTick2ISR() . 其中难点在于 OSIntCtxSw() 和 OSTickISR() 函数的实现 , 因为这两个函数的实现与移植者的移植思路以及相关硬件定时器、 中断寄存器的设置有关 . 在实际的移植工作中 , 这两处也是比较容易出错的地方 .OSIntCtxSw( ) 函数由 OSIntExit ( ) 函数调用 , 而 OSIntExit () 函数又由 OSTickISR() 调用. OSIntCtxSw() 函数最重要的作用就是它

10、完成在中断 ISR 中 直接进行任务切换 , 从而提高了实时响应的速度 . 它发生的时机是在 ISR 执行 到 OSIntExit ( )时 , 如果发现有高优先级的任务因为等待 time tick 的到来获得了执行 ? 7 2 ? 第 4 期李学桥等 :uC/ OS - II 在 ARM系统上的移植与实 现的条件 ,就可以马上被调度执行 , 而不用返回被中断的那个任务之后再进行任 务切换. 实现 OSIntCtxSw() 的方法大致也有两种情况 7 : 一是通过调整 SP 堆栈指针的方法 ,根据所用的编译器对于函数嵌套的处理 , 通过精确计算出所需 要调整的 SP 位置来使得进入中断时所作的

11、保护现场的工作可以被重用 . 二是 设置需要切换标志位的方法 , 在 OSIntCtxSw( ) 里面不发生切换 , 而是设置一个 需要切换的标志 ,等函数嵌套从进入 OSIntExit ( ) = OS ENTER CRITI2CAL() = OSIntCtxSw( ) = OS EXIT CRITICAL() = OSIntExit ( )退出后 , 再根据标志位来判断是否需要进行中断级的任务切换 .其次是对 OSTickISR() 修改 .OSTickISR() 首先在被中断任务堆栈中保存 CPU 寄存器的值 , 然后调用 OSIntEnter () .随后调用 OSTimeTick()

12、 , 检查所有处于延时等待状态的任务 , 判断是否有延时结束就绪的任务 . 最后调用 OSIntExit ( ) . 如果在中断中 ( 或其他嵌套的中断 ) 有更高优先级的任务就绪 , 并且当前 中断为中断嵌套的最后一层 ,OSIntExit ( ) 将进行任务调度 . 如果进行了任务 调度,OSIntExit () 将不再返回调用者 ,而是用新任务的堆栈中的寄存器数值恢 复 CPU 现场, 然后实现任务切换 . 如果当前中断不是中断嵌套的最后一层 , 或中 断中没有改变任务的就绪状态 , OSIntExit ( )将返回调用者 OSTickISR( ) ,OSTickISR() 返回被中断的

13、任务 . 最后就是退出临界区和进入临界区函数 进入临界区时 ,必须关闭中断 ,用 ARMDisableInt () 函数实现. 在退出临界区 的时候恢复原来的中断状态 ,通过 ARMEnableInt ( ) 函数来实现 7 . 至于 进行任务级上下文切换 , 则是由汇编子程序 OSCtxSw实 现.2 在 ARM系统上的实现 以跑马灯和数码管为例 ,说明 uC/ OS - II 的移植过程 :跑马灯是 4 个小灯轮流 变明变暗 ,很方便看出效果 . 跑马灯在日常中使用很多 , 比如状态栏跑马灯、文 字跑马灯、图片跑马灯、单片机跑马灯等 8 . 本文采用的是单片机跑马灯 . 实现单片机跑马灯的

14、程序中 ,只有地址口为低电平 (接地) 时,发光管才会亮 . 所 以只要循环控制地址口的各个引脚的电平高低变化就可使LED 循环点亮 : 首先是全不亮 ,接着第 1 个灯亮,第 2 个灯亮,第 3 个灯亮,第 4 个灯亮,第 5 个灯 亮 , 最后所有的灯一起亮 .笔者使用 6 个共阳极 LED 数码管来实现在 7 段数码管上循环显示 09 ,A F 字符. 每个显示位的段选线与一个 8 位并行口线对应相连 , 只要在显示位上的 段选线上保持段码电平不变 , 则该位就能保持相应的显示字符 . 这里的 8 位并 行口可以直接采用并行 I/ O 口, 也可以采用串入 / 并出的移位寄存器或是其他

15、具有三态功能的锁存器等 . 当采用动态显示接口时 ,在多位 LED 显示时,为了简 化电路,降低成本,将所有位的段选线并联在一起 ,由一个 8 位 I/ O 口控制. 而 共阴(或共阳) 极公共端分别由相应的 I/ O 线控制, 实现各位的分时选通 . 由 于各个数码管是共用同一个段码输出口分时轮流通电的 , 从而大大简化了硬件线 路,降低了成本 .对于数码管的实现分为 3 个步骤 :1) 制作 LED 字符与码段对应表2) 扫描控制3 ( (U8 3 ) 0x02000006) = 0x3E; / 3 使能第一个数码管3 /3) 段码输出( (U8 3 ) 0x02000004) = seg

16、7table0 ;根据上面的 LED 字符与码段对应表 , 控制相应的数字进行输出 . 数码管扫描控 制地址为 0x02000006 ,8 位访问,比如 Bit0 控制数码管 0 , 并且低电平有 效,Bit5 控制数码管 5 , 低电平有效 ,数码管显示试验系统中采用的是动态显示 接口,其中数码管扫描控制地址为 0x02000006 , 位 0 5 分别对应一个数码管 将其中每位清 0 来选择相应的数码管 ; 地址 0x02000004 为数码管的数据寄存器 控制数码管的段码输出 .3 多任务应用程序uC/OS - II 的移植及跑马灯和数码管的实现如下 9 : 首先是 C 语言入口函 数

17、Main ( 所有 C 程序的入口 ) . 它里面包括调用函数 ARMTargetInit () 初始 化 ARM处理器 , 调用 OSInit ( ) 进行 uC/ OS - II 操作系统初始化 , 然后调用 OSTaskCreate ( ) 函数创建任务 TaskLED 和 TaskSEG,最后调用 ARMTargetStart () 函数启动时钟节拍中断 , 并且调用 OSStart ( ) 启动系统 任务调度 ,由于在程序当中使用 for ( ; ;) ,这是一个永无止境的回路 ,所以装置可以一直进行下去 , 直到关闭装置 .void Main(void)ARMTargetInit

18、() ;uHALr printf ( uC/ OS - II # n) ;OSInit () ;Sem1 = OSSemCreate(0) ;Sem2 = OSSemCreate(1) ;OSTaskCreate(TaskLED , (void 3 ) &IdLED , (OS STK 3 )&StackLED STACKSIZE - 1 , 5) ;OSTaskCreate(TaskSEG, (void 3 ) &IdSEG, (OS STK 3 )&StackSEG STACKSIZE - 1 , 6) ;ARMTargetStart () ;OSStart () ;return ;4 结

19、语使用创建好的模板 Temp 新建一个工程 Temp , 并将模板中的 Core 和 Assemble 文件夹中的文件加入到工程 Temp 中. 1) 新建一个文件 Temp. c , 并将其添加 到 Temp 工程的 App 文件夹中 . 2) 打开 Temp. c 文件, 添加两个任务 , 它们的任 务处理函数分别为 TaskLED() 和 TaskSEG() . 3) 在 TaskLED( ) 函数中每隔 50 个时钟节拍使所有跑马灯闪烁一次 (即按顺序亮 ,然后全亮,最后全灭,顺序循 环) . 4) 在TaskSEG() 函数中每隔 50 个时钟节拍切换一次数码管显示 (循环 从 0F 显示) . 5) 编译工程 Temp ,如果出错 , 则进行修改后再编译 . 6) 将 Temp 下载并运行 ,