μCOS-II 在ARM微處理器上的移植

μCOS-II 在ARM 微處理器上的移植
一、實驗目的
1．了解UC/OS-II 內核的主要結構。
2．掌握將UC/OS-II 內核移植到ARM7 處理器上的基本方法。
二、實驗內容
1．將UC/OS-II 內核移植到ARM7 處理器上。
2．按鍵盤上的任意鍵，在超級終端上顯示對應的鍵值。
三、預備知識
1．掌握在ARM SDT 2.5 集成開發環境中編寫和調試程序的基本過程。
2．會使用Source Insight 3 編輯C 語言源程序。
3．了解ARM7 處理器的結構。
4．了解UC/OS-II 系統結構。
四、實驗設備及工具
硬件：ARM 嵌入式開發板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機Pentumn100 以
上。
軟件：PC 機操作系統win98、ARM SDT 2.51 集成開發環境、仿真器驅動程序、Source
Insight 3.0
五、實驗原理
所謂移植，指的是一個操作系統可以在某個微處理器或者微控制器上運行。雖然μCOS-II
的大部分源代碼是用C 語言寫成的，但是，仍需要用C 語言和匯編語言完成一些與處理器
相關的代碼。比如：μCOS-II 在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現。因為μCOS-II
在設計的時候就已經充分考慮了可移植性，所以，μCOS-II 的移植還是比較容易的[1]。
要使μCOS-II 可以正常工作，處理器必須滿足如下要求：
1．處理器的C 編譯器能產生可重入代碼。
可重入的代碼指的是一段代碼（比如：一個函數）可以被多個任務同時調用，而不必擔
心會破壞數據。也就是說，可重入型函數在任何時候都可以被中斷執行，過一段時間以后又
可以繼續運行，而不會因為在函數中斷的時候被其他的任務重新調用，影響函數中的數據。
下面的兩個例子可以比較可重入型函數和非可重入型函數：
程序1：可重入型函數
void swap(int *x, int *y)
{
int temp;
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;
}
程序2：非可重入型函數
int temp;
void swap(int *x, int *y)
{
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;

}
程序1 中使用的是局部變量temp 作為變量，通常的C 編譯器，把局部變量分配在棧中。
所以，多次調用同一個函數，可以保證每次的temp 互不受影響。而程序2 中temp 定義的是
全局變量，多次調用函數的時候，必然受到影響。
代碼的可重入性是保證完成多任務的基礎，除了在C 程序中使用局部變量以外，還要C
編譯器的支持。筆者使用的是ARM SDT 的集成開發環境，可以生成可重入的代碼。
2．在程序中可以打開或關斷中斷。
在μCOS-II 中，可以通過OS_ENTER_CRITICAL()或者OS_EXIT_CRITICAL()宏來控制
系統關閉或者打開中斷。這需要處理器的支持。在ARM7TDMI 的處理器上，可以設置相應
的寄存器來關閉或者打開系統的所有中斷。
3．處理器支持中斷，并能產生定時中斷（通常在10Hz~1000Hz 之間）。
μCOS-II 是通過處理器產生的定時器的中斷來實現多任務之間的調度的。在
ARM7TDMI 的處理器上可以產生定時器中斷。
4．處理器支持能夠容納一定量數據（可能是幾千字節）的硬件堆棧。
5．處理器有將堆棧指針和其他CPU 寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。
移植工作包括以下幾個內容：
1．用#define 設置一個常量的值（OS_CPU.H）。
2．聲明10 個數據類型（OS_CPU.H）。
3．用#define 聲明三個宏（OS_CPU.H）。
4．用C 語言編寫六個簡單的函數（OS_CPU_C.C）。
5．編寫四個匯編語言函數（OS_CPU_A.ASM）。
μCOS-II 進行任務調度的時候，會把當前任務的CPU 寄存器存放到此任務的堆棧中，
然后，再從另一個任務的堆棧中恢復原來的工作寄存器，繼續運行另一個任務。所以，寄存
器的入棧和出棧是μCOS-II 多任務調度的基礎。
在移植過程中，INCLUDES.H 使得用戶項目中的每個.C 文件不用分別去考慮它實際上
上需要那些頭文件。使用INCLUDES.H 的唯一缺點是，它可能會包括一些實際不相關的頭
文件。這意味著每個文件的編譯時間可能會增加。但由于它增強了代碼的可移植性，所以我
們還是決定使用這一方法。用戶可以通過編輯INCLUDES.H 來增加自己的頭文件，但用戶
的頭文件必須添加在頭文件列表的最后。

uC/OS 硬件和軟件體系結構
六、實驗步驟
1．設置OS_CPU.H 中與處理器和編譯器相關的代碼
/********************************************************************
*
* 與編譯器相關的數據類型
*********************************************************************
/
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U; //8 位無符號整數
typedef signed char INT8S; //8 位有符號整數
typedef unsigned int INT16U; //16 位無符號整數
typedef signed int INT16S; //16 位有符號整數
typedef unsigned long INT32U; //32 位無符號整數
typedef signed long INT32S; //32 位有符號整數
typedef float FP32; //單精度浮點數

typedef double FP64; //雙精度浮點數
typedef unsigned int OS_STK; //堆棧入口寬度為16 位
#define BYTE INT8S //字節型
#define UBYTE INT8U //為了與 uC/OS V1.xx.
兼容
#define WORD INT16S // ... uC/OS-II.
#define UWORD INT16U
#define LONG INT32S
#define ULONG INT32U
/********************************************************************
* 與 ARM 處理器相關的代碼
********************************************************************/
#define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt() /*關閉中斷*/
#define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt() /*開啟中斷*/
/* 設施堆棧的增長方向 */
#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧由高地址向低地址增長*/
2．用C 語言編寫六個操作系統相關的函數（OS_CPU_C.C）
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd),void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
{
unsigned int *stk;
opt = opt; /* 因為'opt' 變量沒有用到，防止編譯器產生警告*/
stk = (unsigned int *)ptos; /*裝載堆棧指針*/
/* 為新任務創建上下文 */
*--stk = (unsigned int) task; /* pc */
*--stk = (unsigned int) task; /* lr */
*--stk = 0; /* r12 */
*--stk = 0; /* r11 */
*--stk = 0; /* r10 */
*--stk = 0; /* r9 */
*--stk = 0; /* r8 */
*--stk = 0; /* r7 */
*--stk = 0; /* r6 */
*--stk = 0; /* r5 */
*--stk = 0; /* r4 */
*--stk = 0; /* r3 */
*--stk = 0; /* r2 */
*--stk = 0; /* r1 */
*--stk = (unsigned int) pdata; /* r0 */

*--stk = (SVC32MODE|0x0); /* cpsr IRQ, 關閉FIQ */
*--stk = (SVC32MODE|0x0); /* spsr IRQ, 關閉FIQ */
return ((void *)stk);
}
void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時出現警告
}
void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時出現警告
}
void OSTaskSwHook (void)
void OSTaskStatHook (void)
void OSTimeTickHook (void)
后5 個函數為鉤子函數，可以不加代碼。
3．用匯編語言編寫四個與處理器相關的函數（OS_CPU.ASM）
（1）OSStartHighRdy（）；運行優先級最高的就緒任務
LDR r4, addr_OSTCBCur ; 得到當前任務的TCB 地址
LDR r5, addr_OSTCBHighRdy ; 得到高優先級任務的TCB 地址
LDR r5, [r5] ;得到堆棧指針
LDR sp, [r5] ;切換到新的堆棧
STR r5, [r4] ; 設置新的當前任務的TCB 地址
LDMFD sp!, {r4}
MSR SPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r4} ; 從棧頂得到新的聲明
MSR CPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r0-r12, lr, pc } ; 開始新的任務
END
（2）OSCtxSw（）；任務級的任務切換函數
STMFD sp!, {lr} ; 保存PC 指針
STMFD sp!, {lr} ; 保存lr 指針
STMFD sp!, {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址
MRS r4, CPSR
STMFD sp!, {r4} ; 保存當前 PSR
MRS r4, SPSR
STMFD sp!, {r4}
; OSPrioCur = OSPrioHighRdy

LDR r4, addr_OSPrioCur
LDR r5, addr_OSPrioHighRdy
LDRB r6, [r5]
STRB r6, [r4]
; 得到當前任務的TCB 地址
LDR r4, addr_OSTCBCur
LDR r5, [r4]
STR sp, [r5] ; 保存棧指針在占先任務的TCB 上
; 取得高優先級任務的TCB 地址
LDR r6, addr_OSTCBHighRdy
LDR r6, [r6]
LDR sp, [r6] ;得到新任務的堆棧指針
; OSTCBCur = OSTCBHighRdy
STR r6, [r4] ; 設置當前新任務的TCB 地址set new current task TCB
address
LDMFD sp!, {r4}
MSR SPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r4}
MSR CPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r0-r12, lr, pc}
（3）OSIntCtxSw（）；中斷級的任務切換函數
LDMIA sp!,{a1-v1, lr}
SUBS pc, lr, #4
SUB lr, lr, #4
MOV r12, lr
MRS lr, SPSR
AND lr, lr, #0xFFFFFFE0
ORR lr, lr, #0xD3
MSR CPSR_cxsf, lr
（4）OSTickISR（）；中斷服務函數
STMDB sp!,{r0-r11,lr}
;interrupt disable(not nessary)
mrs r0, CPSR
orr r0, r0, #0x80 ; 設置中斷禁止標
msr CPSR_cxsf, r0 ;中斷結束
; rI_ISPC= BIT_TIMER0;
LDR r0, =I_ISPC
LDR r1, =BIT_TIMER0

STR r1, [r0]
BL IrqStart
BL OSTimeTick
BL IrqFinish
LDR r0, =need_to_swap_context
LDR r2, [r0]
CMP r2, #1
LDREQ pc, =_CON_SW
完成了上述工作以后，μCOS-II 就可以正常運行在ARM 處理器上了。
七、思考題
將UC/OS-II 操作系統移植到8051 單片機上（網上有成功實例可以參考）。

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