本文介紹μC/OS-Ⅱ移植到ATMEL公司的8位微控制器ATmega128上的過程。所謂移植，就是使一個實時內核可以在某個微處理器上運行，并在此基礎上進行驅動程序開發，使之成為一個實用的嵌入式系統。嵌入式系統包括了硬件和軟件兩部分，由于系統硬件資源的限制和實際應用的要求，應用系統對軟件的基本要求是體積小，執行速度快，具有較好的裁減性和可移植性。嵌入式系統的軟件一般由嵌入式操作系統和應用軟件組成，通過在操作系統之上開發應用軟件，可以屏蔽掉很多底層硬件細節，使得應用程序調試方便，移植簡單，易維護，同時開發周期也短。多數實時操作系統為用戶提供一些標準的API函數，程序開發人員可以利用這些API函數進行應用程序開發。但是現在商用型的實時操作系統價格非常昂貴，而免費型的實時操作系統μCOS-II作為一個源代碼公開的實時內核已經有了10余年使用實踐，許多行業都有成功應用該內核的實例。但由于μCOS-II只是一個實時內核，它沒有像商用型實時操作系統那樣提供API函數接口，有很多工作需要用戶去完成，還需要根據實際應用需要進行功能擴展，包括底層的硬件驅動、文件系統、用戶圖形接口等程序的編寫。

　　μC/OS-II嵌入式實時操作系統簡介

　　μC/OS- II是著名的、源碼公開的實時內核，可用于各類8位、16 位、32位單片機或DSP。μC/OS-II是一個完整、可移植、可固化、可裁減的占先式實時多任務內核。它用ANSIC語言編寫，包含小部分與硬件有關的匯編代碼，使之便于移植，可以在不同架構的微處理器上使用。到目前為止，該內核已有10多年的應用史，在醫療、網絡、通信等許多領域得到了廣泛應用。 μC/OS-II內核可以分為幾個獨立的部分，分別是任務管理、時間管理、任務間通信、內存管理幾個獨立的部分，他的許多功能都是可配置的，這樣可以根據應用的需要對操作系統進行裁減。μC/OS-II是占先式實時內核，他總是運行在就緒條件下優先級最高的任務，μC/OS-II總共可以管理64個任務，賦予每個任務的優先級必須是不同的，每個任務都有自己獨立的堆棧，可以壓低用戶程序對內存的需求。全部μC/OS-II的函數調用與服務執行時間具有可確定性，它的系統服務的執行時間不依賴于應用程序任務的多少。μC/OS-II中的任務可以是一個無限的循環，也可以在執行完一次后被刪除掉，任務在休眠、就緒、運行、等待和掛起等幾個狀態之間進行轉換。μC/OS-II要求用戶提供定時中斷來實現延時和超時控制等功能，這個定時中斷稱為時鐘節拍，他的實際頻率由用戶的應用程序決定，一般為10～100Hz 。節拍頻率越高，系統的負荷越重。μC/OS-II中有三種用于數據共享和任務通信的方法：信號量、郵箱和消息隊列。一個任務或者中斷服務子程序可以通過事件控制塊向另外的任務發信號;一個任務可以等待另一個任務或中斷服務子程序給它發送信號;或者是多個任務等待同一個信號的發生，在這種情況下，優先級最高的任務將得到這一信號并進入就緒狀態準備執行。

　　ATmega128微處理器的硬件特點

　　ATmega128 的MCU包括一個算術邏輯單元(ALU) ，一個狀態寄存器(SREG) ，一個通用工作寄存器組和一個堆棧指針。狀態寄存器(SREG) 的最高位I是全局中斷允許位。如果全局中斷允許位為零，則所有中斷都被禁止。當系統響應一個中斷后，I位將由硬件自動清“0”;當執行中斷返回 (RETI) 指令時，I位由硬件自動置“1”，從而允許系統再次響應下一個中斷請求。通用工作寄存器組是由32個8位的通用工作寄存器組成。其中R26～R31這6 個寄存器還可以兩兩合并為3 個16位的間接地址寄存器，這些寄存器可以用來對數據存儲空間和程序存儲空間進行間接尋址的寄存器。堆棧指針(SP) 是一個指示堆棧頂部地址的16 位寄存器。ATmega128單片機的硬件堆棧的生長方向是向下的(從高地址向低地址生長) ，所以軟件堆棧在定義的時候，也要采取相同的生長方向。ATmega128單片機的數據存儲器是線形的，從低地址到高地址依次是CPU寄存器區(32個通用寄存器) ，I/O寄存器區，數據存儲區。

　　ATmega128的中斷響應機制

　　ATmega128 有34個不同的中斷源，每個中斷源和系統復位在程序存儲空間都有一個獨立的中斷向量(中斷入口地址) 。每個中斷源都有各自獨立的中斷允許控制位，當某個中斷源的中斷允許控制位為“1”且全局中斷允許位I也為“1”時，系統才響應該中斷。當系統響應一個中斷請求后，會自動將全局中斷允許位I清零，此時，后續中斷響應被屏蔽。當系統執行中斷返回指令RETI時，會將全局中斷允許位I置“1”，以允許響應下一個中斷。若用戶想實現中斷嵌套，必須在中斷服務子程序中將全局中斷允許位I置“1”。在中斷向量表中，處于低地址的中斷具有高的優先級。優先級高只是表明在多個中斷同時發生的時候，系統先響應優先級高的中斷，并不含有高優先級的中斷能打斷低優先級的中斷處理工作的意思。由于μC/OS-Ⅱ的任務切換實際上是模擬一次中斷，因此需要知道CPU的中斷響應機制。中斷發生時，ATmega128按以下步驟順序執行：

　　(1) 全局中斷允許位I清零。

　　(2) 將指向下一條指令的PC值壓入堆棧，同時堆棧指針SP減2。

　　(3) 選擇最高優先級的中斷向量裝入PC，程序從此地址繼續執行中斷處理。

　　(4) 當執行中斷處理時，中斷源的中斷允許控制位清零。中斷結束后，執行RETI指令，此時：

　　①全局中斷允許位I置“1”。

　　② PC從堆棧推出，程序從被中斷的地方繼續執行。特別要注意的是：ATmega128A單片機在響應中斷及從中斷返回時，并不會對狀態寄存器SREG 和通用寄存器自動進行保存和恢復操作，因此，對狀態寄存器SREG 和通用寄存器的中斷保護工作必須由用戶來完成。

　　ATmega128的定時器中斷

　　ATmega128 有三個定時器：T0，T1，T2，可以為μCOS-II提供精確的時鐘源。ATmega128的三個定時器都有計數溢出中斷功能，而且T1和T2還有匹配比較中斷，即定時器計數到設定的值時，產生中斷并自動清零。若系統采用這種中斷方式，其好處是在中斷服務程序ISR中不需要重新裝載定時器的值。

　　將μCOS-II移植到ATmega128單片機上

　　移植就是使一個實時內核能在ATmega128上運行。μCOS-II大部分的代碼是用ANSIC編寫的，因此移植性很好。但是對不同的微處理器，仍然需要使用C和匯編語言來編寫其中與處理器相關的代碼，寄存器的讀、寫只能通過匯編語言的存儲和加載指令來實現。要使μCOS-II能夠正常工作，處理器必須滿足以下要求：

　　①處理器的C編譯器能產生可重入代碼;可重入代碼是指可以被一個以上的任務調用，而不必擔心其數據會被破壞的代碼。可重入代碼任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以重新運行，而相應的數據不會丟失，不可重入代碼則不行。本文所使用ImageCrafT公司的ICCAVRV6. 30編譯器能產生可重入代碼;

　　②用C語言可以打開和關閉中斷，本文所使用的ICCAVRV6. 30編譯器支持在C語言中內嵌匯編語句且提供專門開關中斷的宏：CLI() 和SEI() 。這樣，使得在C語言中開關中斷非常方便;

　　③處理器支持中斷，并且能夠產生定時中斷(通常在10-100Hz 之間) ，ATmega128，有3 個定時器，能產生μC/OS-Ⅱ所需的定時中斷;

　　④ 處理器能夠支持容納一定數量的硬件堆棧，ATmega128有4KRAM，硬件堆棧可以開辟在這4KRAM中;

　　⑤處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀取和存儲到堆棧或內存的指令，一般的單片機都滿足這個要求(如PUSH、POP指令) ，且ATmega128還具有直接訪問I/O寄存器的指令( IN、OUT等) 。

　　移植的實現μC/OS-Ⅱ的移植工作包括以下幾個內容：

　　(1) 用Typedef聲明與編譯器相關的數據類型(在OS-CPU. H文件中) ，由于不同的微處理器有不同的字長，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用C語言的shORT、inT、lOng 等數據類型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀又可移植的數據類型來代換相應數據類型。

　　(2) 用# definE設置一個常量OS-STK-GROWTH的值(OS-CPU. H) ，決定堆棧的生長方向，置0表示堆棧從下往上生長，置1表示堆棧從上往下生長。

　　(3) # definE聲明三個宏(OS-CPU. H) 。即進入臨界代碼段(criTicaLcOdEsecTiOn) 的方法OS-CRITICAL-METHOD定義為3 ，在宏OS-ENTER-CRITICAL() 中得到當前處理器狀態字的值，并將其保存在C函數的局部變量中，這個變量在宏OS-EXIT-CRITICAL( ) 中用于恢復PSW。宏OS-TASK-SW() 是在內核從低優先級任務切換到高優先級任務時用到的，它總是在任務級代碼中被調用。在ATMEGA128上移植，直接調用OSCTxSw () 任務切換函數就可以了。

　　(4) 用C語言編寫十個簡單的函數(OS-CPU-C. C) ，OS2TAskSTKIniT() ;OSIniTHoOkBegiN() ;OSIniTHoOKEnd () ; OSTAskCreaTeHoOK( ) ;OSTAskDelHoOK( ) ;OSTAskSw HoOK();OSTAskSTaTHoOK() ;OSTimETickHoOk () ;OSTCB IniTHoOK() ;OSTAsKIdleHoOK() ;實際需要修改的只有OSTAskSTKIniT() 函數，其它九個函數都是由用戶定義的。如果用戶需要使用這九個函數，可將文件OS-CFG. H中的# definEcOnsTAnTOS-CPU-HOOKS-EN設為1，設為0表示不使用這些函數。函數OSTAskSTKIniT( ) 是由OSTAskCreaTE() 或OSTAskCreaTEExT() 調用，用來初始化任務堆棧的。經初始化后的任務堆棧應該跟發生過一次中斷后任務的堆棧結構一樣。由前敘述可知，ATmega128在發生中斷后，自動保存了程序計數器PC。為了保存全部現場，還需要保存狀態寄存器SREG ，R0～R31這32個通用寄存器及SP的值。

　　(5) 編寫四個匯編語言函數(OS-CPU-A. S) ，OSSTARTHighRdy () 使就緒態任務中優先級最高的任務開始運行;OSCTxSw () 完成將處理器的寄存器保存到堆棧中的任務后，將任務指針指向要恢復運行的任務，復制新任務的優先級，得到新任務的堆棧指針，恢復將運行任務的寄存器;OSIntC2TxSw () 完成在ISR中執行任務的切換;OSTicKISR() 提供系統時鐘節拍服務;這些函數涉及到出棧和入棧操作，因此需要用匯編語言編寫。做完以上工作，就是測試內核的移植是否正確。測試一個實時內核，可以運行一些簡單的任務和時鐘節拍中斷任務，一旦調試成功就可以在上面擴展功能。

　　硬件驅動程序的編寫

　　μCOS-II移植完成以后，就要在實時內核之上編寫外設驅動程序。外設驅動程序可以提供訪問外圍設備的接口，把操作系統和外圍設備硬件分離開來，當外設改變時，只需修改設備驅動程序，不影響操作系統內核。外設驅動程序主要完成以下功能：

　　(1) 對設備初始化和釋放;

　　(2) 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據;

　　(3) 讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據;

　　(4) 檢測和處理設備出現的錯誤。對于擴展相應的API函數，不同的應用有不同的要求，可以根據硬件結構和實際應用，編寫操作系統的API函數。基于μCOS- II進行擴展的RTOS的總體結構。在內核上開發應用，在把內核移植到自己的硬件目標板上后，在實時內核的基礎上寫出相應的驅動程序、內存操作等API函數，建立實時操作系統，最后利用這些API函數編寫用戶自己的應用程序，就構成了嵌入式系統軟件。而應用程序處于整個系統的頂層，根據具體應用要求，其功能有多個任務完成，每個任務可以調用API函數，也可以調用與處理器無關的代碼提供的系統服務。

　　總 結

　　采用μCOS-II內核開發的RTOS具有良好的實時性，可裁剪性，應用它可以使產品更可靠，功能更強大，開發周期更短。該系統目前已在我院開發的護理用體態語言機上成功應用。