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uC/OS II在S3C2410上的移植

 欧阳小昭 2011-03-20

2 uC/OS II在S3C2410上的可移植性
    所谓移植,就是使这个实时内核能在某个微处理器上运行。为了方便移植,大部分的uC/OS II代码是用c语言写的,但仍需要用c和汇编语言写一些与处理器相关的代码,这是因为uC/OS II在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。由于uC/OS II在设计时就已经充分考虑了可移植性,所以uC/OS II的移植相对来说是比较容易的。uC/OS II的框架结构如图2。
 
    uC/OSII的正常运行需要处理器平台满足以下要求:
a)处理器的C编译器能产生可重入代码。
b)用C语言就可以打开和关闭中断。
c)处理器支持中断,并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)。
d)处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈。
e)处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。
    S3C2410处理器采用ARM920T内核,内部共有37个寄存器,其中R13通常用作堆栈指针,只要系统RAM空间允许,堆栈空间理论上没有限制。ARM处理器提供ARM指令和Thumb指令两种指令集,每种指令集都包含有丰富的指令对堆栈进行操作,可以随意的对处理器中的寄存器进行堆栈操作。根据堆栈生长方向的不同,可以生成4种不同的堆栈,分别是满递增、空递增、满递减(此移植中使用的是满递减方式)、空递减。芯片内集成5个定时时钟,任何一个都可以产生定时中断,满足第三条要求。ADS集成开发环境的内置编译器可以产生可重入代码,并且支持内嵌汇编,C环境中可任意的进行开关中断操作。综上所述uC/OS II完全可以移植到S3C2410上运行。

3 主体移植过程
3.1 设置与处理器及编译器相关的代码[OS_CPU.H]
    不同的编译器会使用不同的字节长度来表示同一数据类型,所以要定义一系列数据类型以确保移植的正确性。下面是uC/OS II定义的一部分数据类型。
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U;/*无符号8位*/
typedef signed char INT16S;/*带符号8位*/
typedef unsigned int INT16U;/*无符号16位*/
typedef signed int INT16S;/*带符号16位*/
typedef unsigned long INT32U;/*无符号32位数*/
typedef signed long INT32S;/*带符号32位数*/
typedef float FP32;/*单精度浮点数*/
typedef double FP64;/*双精度浮点数*/
typedef unsigned int OS_STK;/*堆栈入口宽度*/
typedef unsigned int OS_CPU_SR;/*寄存器宽度*/
    uC/OS II需要先关中断再访问临界区的代码,并且在访问完后重新允许中断。uC/OS II定义了两个宏来禁止和允许中断:OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL(),本移植实现这两个宏的汇编代码。
#define OS_ENTER_CRITICAL()(cpu_sr=OSCPUSaveSR())/*Disable interrupts*/
#define OS_EXIT_CRITICAL()(OSCPURestoreSR(cpu_sr))/*Enable interrupts*/
EXPORT OSCPUSaveSR
OSCPUSaveSR
mrs r1,cpsr
mov r0,r1
orr r1,r1,#0xc0
msr cpsr_cxsf,r1
mov pc,lr
EXPORT OSCPURestoreSR
OSCPURestoreSR
msr cpsr_cxsf,r0
mov pc,lr

3.2 用C语言实现与处理器任务相关的函数[OS_CPU_C.C]
OSTaskStkInit()
OSTaskCreateHook()
OSTaskDelHook()
OSTaskSwHook()
OSTaskStatHook()
OSTimeTickHook()
    实际需要修改的只有OSTaskStkInit()函数,其他五个函数需要声明,但不一定有实际内容。这五个函数都是用户定义的,所以OS_CPU_C.C中没有给出代码。如果需要使用这些函数,可以将文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN设为1,设为0表示不使用这些函数。
    OSTaskStkInit()函数由OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()调用,需要传递的参数是任务代码的起始地址、参数指针(pdata)、任务堆栈顶端的地址和任务的优先级,用来初始化任务的堆栈,初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。堆栈初始化工作结束后,OSTaskStkInit()返回新的堆栈栈顶指针,OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()将指针保存在任务的OS_TCB中。调用OSTaskStkInit()给任务做一个初始的任务上下文堆栈,形状如图3。
 
3.3 处理器相关部分汇编实现
    整个uC/OS II移植实现中,只需要提供一个汇编语言文件,提供几个必须由汇编才能实现的函数。
a)OSStartHighRdy()
    该函数在OSStart()多任务启动之后,负责从最高优先级任务的TCB控制块中获得该任务的堆栈指针sp,通过sp依次将CPU现场恢复,此时系统就将控制权交给用户创建的该任务的进程,直到该任务被阻塞或者被其他更高优先级的任务抢占了CPU。该函数仅仅在多任务启动时被执行一次,用来启动第一个,也就是最高优先级的任务执行。
b)OSCtxSw()
    该函数是任务级的上下文切换函数,在任务因为被阻塞而主动请求与CPU调度时执行,主要工作是先将当前任务的CPU现场保存到该任务堆栈中,然后获得最高优先级任务的堆栈指针,从该堆栈中恢复此任务的CPU现场,使之继续执行,从而完成一次任务切换。
C)OSIntExit()
    该函数是中断级的任务切换函数,在时钟中断ISR中发现有高优先级任务在等待时,需要在中断退出后不返回被中断的任务,而是直接调度就绪的高优先级任务执行。其目的在于能够尽快让高优先级的任务得到响应,保证系统的实时性能。
d)OSTickISR()
    该函数是时钟中断处理函数,主要任务是负责处理时钟中断,调用系统实现的OSTimeTick函数,如果有等待时钟信号的高优先级任务,则需要在中断级别上调度其执行。另外两个相关函数是OSIntEnter()和OSIntExit(),都需要在ISR中执行。

4 测试
    至此代码移植过程已经完成,下一步工作就是测试。测试一个象uC/OS II一样的多任务实时内核并不复杂,甚至可以在没有应用程序的情况下测试。换句话说,就是让这个实时内核在目标板上跑起来,让内核自己测试自己。这样做有两个好处:第一,避免使本来就复杂的事情更加复杂;第二,如果出现问题,可以知道问题出在内核代码上而不是应用程序。刚开始的时候可以运行一些简单的任务和时钟节拍中断服务例程。一旦多任务调度成功地运行了,再添加应用程序的任务就是非常简单的工作了。

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