μC/OS-II在Cortex-M3系列單片機上的移植介紹

描述嵌入式操作系統μC/OSII在LM3S系列單片機上實現移植的過程。介紹操作系統的移植原理和方法，以LM3S8962單片機為例給出部分移植函數的代碼，并通過一個實例的應用驗證移植的正確性。

關鍵詞? 嵌入式實時操作系統? Cortex-M3? μC/OS-II移植? LM3S8962

引言

　　μC/OSII是一種簡單高效、源代碼公開的實時嵌入式操作系統，具有良好的擴展性和可移植性，被廣泛應用到各種嵌入式處理器上；對于提高產品的質量，減少開發周期和降低成本有著重要的意義。本文以μC/OSII為移植對象，以ARM CortexM3內核微處理器為移植目標來討論其移植過程及應用。

1? μC/OSII及ARM CortexM3簡介

　　實時操作系統μC/OSII是一個基于優先級的搶占式實時內核，程序可讀性強，移植性好，代碼固定，可裁剪，非常靈活。至今，從8位到64位，μC/OSII已在超過40種不同架構的微處理器上運行。μC/OSII的主要特點有：是優先級可剝奪的實時多任務操作系統；可處理和調度56個用戶任務，任務的優先級可以動態調整；提供任務間通信、同步使用的信號量、郵箱和消息隊列；具有良好的可裁剪性，可盡量減小系統的ROM和RAM大小。

　　ARM是目前嵌入式領域應用最廣泛的RISC微處理器結構，它以低成本、低功耗、高性能等優點占據了嵌入式系統應用領域的領先地位。當前ARM系列的處理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM 11等多個產品。CortexM3內核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能處理器內核，是ARM新型 V7 指令集結構系列的微控制器版本，可用于企業應用、汽車系統、家庭網絡和無線技術等領域。其主要特點是：

　　① 功耗低；
　　② 內核的門數少，具有優異的性價比；
　　③ 中斷延時短；
　　④ 調試成本低；
　　⑤ 具有嵌套向量中斷控制器（NVIC），與處理器內核緊密結合實現低延遲的中斷處理；
　　⑥ 具有可裁減的存儲器保護單元（MPU），用于對存儲器進行保護。

2? 移植μC/OSII

　　Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含運行在 50 MHz頻率下的ARM CortexM3 MCU內核、嵌入式Flash和SRAM、1個低壓降的穩壓器、集成的掉電復位和上電復位功能、模擬比較器、10位ADC、SSI、GPIO、看門狗和通用定時器、UART、I2C、運動控制PWM以及正交編碼器（quadrature encoder）輸入，非常適合樓宇和家庭自動化、工廠自動化和控制、工控電源設備、步進電機、有刷和無刷DC馬達、AC感應電動機等方面的應用。

　　本移植在如下環境中完成：編譯工具采用IAR FOR ARM,目標板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962開發板。主機通過LMLINK JTAG連接目標板以建立交叉開發調試環境。
移植過程中,μC/OSII的核心源代碼不用修改,可以直接放在μC/OSII Source文件夾中。μC/OSII\\Ports目錄存放μC/OSII基于LM3S單片機的移植代碼，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三個必要的文件。Target目錄中的Startup.S文件是單片機的啟動代碼和中斷向量表，Target.C和Target.H提供單片機初始化函數TargetInit( )和其他簡單的外設控制API函數。層次結構如圖1所示。

　　將μC/OSII移植到ARM處理器上需要修改3個與ARM體系結構相關的文件： OS_CPU .H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分別介紹這3個文件的移植工作。

圖1

（1） OS_CPU.H文件

　　包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定義類型等。

　　① OS_CPU.H定義的數據類型。在這次移植中μC/OSII重新定義了數據類型，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 修改與ARM處理器相關的內容。不同處理器的堆棧增長方向是不一樣的，ARM CortexM3的堆棧是從高地址往低地址增長的，OS_STK_GROWTH設為1，程
序如下：

　　#defineOS_STK_GROWTH1

（2） OS_CPU_C.C文件

　　在OS_CPU_C.C定義的C函數中，OSTaskStkInit( )函數與CPU相關，所以移植代碼需要修改該函數。其程序如下（初始化任務時調用此函數初始化任務使用的堆棧）：

　　OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK *ptos,INT16U opt) {
　　OS_STK *stk;
　　(void)opt;//防止編譯警告
　　stk=ptos;//裝載棧頂指針，即堆棧數組最后的地址模擬中斷發生的堆棧情況
　　*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR
　　*(stk) =(INT32U)task;//PC,任務入口
　　*(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,輸入參數p_arg模擬任務進程，保存其他寄存器到堆棧
　　*(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的移植需要編寫5個簡單的匯編語言函數。

　　① OS_ENTER _CRITICAL( )： 關閉中斷源。
　　② OS_EXIT_CRITICAL( )： 重開中斷源。
　　③ OSStartHighRdy( )： 運行當前優先級最高的任務。
　　④ OSCtxSw( )： 一個任務放棄CPU使用權時調用。
　　⑤ OSIntCtxSw（）： 在退出中斷服務函數OSIntExit( )中被調用，實現中斷級任務切換。

　　因為LM3S單片機目前只支持8位中斷優先級中的高3位，所以這里把1左移5位即是00100000B,其宏定義為OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。

　　ARM CortexM3使用OSPendSV( )函數快捷地進行上下文切換。OSPendSV( )的C語言表述程序如下：

OSPendSV：關中斷；
　　if(PSP !=NULL) {
　　　　保存R4～R11到任務堆棧SP_process;
　　　　OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;
　　}
　　OSTaskSwHook( );
　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
　　PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;
　　從新任務堆棧中恢復R4~R11;
　　恢復中斷；
　　異常返回；

　　完成上述工作后，只要再根據目標板的實際情況編寫Target目錄中的3個文件，μC/OSII就可以運行在LM3S8962單片機上了。

3? 實際應用

　　移植工作完成后，編寫了一段程序，可以進行CAN通信，按鍵控制LED燈，通過RS232串口與主機相連實現對SD卡的讀寫等操作。下面是程序的部分代碼：

staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任務堆棧*/
staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*啟動任務的堆棧*/
static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任務的堆棧*/
static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按鍵任務的堆棧*/
static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任務的堆棧*/
OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收數據郵箱*/
OS_EVENT *DispSem;/*按鍵信號量 */
OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信號量*/

　　在Main.H中定義任務優先級為：

#defineTASK_START_PRIO0
#defineTASK_CARD_PRIO1
#defineTASK_LED_PRIO2
#defineTASK_KEY_PRIO3
#defineTASK_CAN_PRIO4

　　其中創建任務的任務代碼為：

static void taskStart (void*parg) {
　　(void)parg;
　　DispSem = OSSemCreate(1);
　　DispSem1 = OSSemCreate(0);
　　targetInit();/*初始化目標單片機*/
　　#if OS_TASK_STAT_EN > 0
　　OSStatInit();/*使能統計功能*/
　　#endif
　　/*在這里創建其他任務*/
　　OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE? 1], TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任務*/
　　OSTaskCreate ( Task_Card,/*創建SD卡操作任務*/
　　　　(void *)0,
　　　　&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_CARD_PRIO );
　　OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*創建按鍵操作任務*/
　　　　&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_KEY_PRIO);
　　OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*創建CAN操作任務 */
　　　　&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE? 1],
　　　　TASK_CAN_PRIO);
　　while (1) {
　　　　OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*啟動任務可在這里掛起*/
　　}
}
　　SDExample為方便觀察SD卡操作任務編寫的GUI界面，選好與程序對應的串口波特率，連接好硬件。從圖2可以看到，對SD卡可以進行成功操作。

圖2

結語

　　μC/OSII作為一個優秀的實時操作系統，已經被移植到各種體系結構的微處理器上。本設計實現了其在LM3S8962上的成功移植，并通過一個實例驗證了移植的正確性。本次移植只是做了一些基礎性工作，在此基礎上還可進行進一步的開發，充分利用LM3S系列單片機的性能和μC/OSII的特點，在檢測與維修領域發揮一定作用。