实时嵌入式操作系统μC／OS-II在MPC555上的移植

摘要：介绍了实时操作系统μC／OS-II的特点和内核结构，并首次实现了μC/OS-II在摩托罗拉处理器MPC555上的移植，介绍了移植后OS的应用方法。

μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一种占先式、多任务、移植性非常强的免费微控制器嵌入式实时操作系统，从１９９２年出现以来，已在照相机、发动机控制和工业机器人等多种领域中得到应用。它一方面相对ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出来的ＥＯＳ更小巧且移植方便，实时性更好，更适合工业控制领域应用；另一方面由于是免费的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商业实时ＥＯＳ大大节省成本，非常适用于开发实用简约的嵌入式控制程序。

摩托罗拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构上，采用ＲＩＳＣ技术的一款高档、适用于精密控制的微控制器。其芯片内嵌增加了浮点单元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ静态ＲＡＭ、４４８ＫＢ片内Ｆｌａｓｈ、一个ＱＳＭＣＭ（串行通讯模块）、两个ＴｏｕＣＡＮ模块、两个ＴＰＵ、一个ＭＩＯＳ（模块化Ｉ／Ｏ系统）、两个ＱＡＤＣ模块，工作频率达４０ＭＨｚ。另外芯片体积小，仅为２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有这些特性使其特别适用于汽车等现场控制领域的嵌入式微控制系统。

将μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在车用控制器上的应用，其成果也可以用于其他嵌入式工业控制领域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５编译调试环境。

１ 移植原理

μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中断管理、任务管理、时间管理、任务之间通信管理和内存管理五方面功能。其结构共分三层，如图１。Ｉ层为与处理器相关的代码，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上为ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三个文件。该层完成系统时钟的设置、出入中断的管理和任务切换功能，为第ＩＩ层提供接口。ＩＩ层包括时间管理、任务调度管理、任务间的通信管理和内存管理四部分，是ＯＳ的主体部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代码写成，与处理器无关，它为用户应用程序提供接口。ＩＩＩ层是用户应用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中断和任务两个处理级别，用户可以建立自己的任务，编写必要的中断子程，在任务之间或任务与中断子程之间建立信号量、邮箱或消息队列完成控制器软件的编写。根据以上结构特点，在移植过程中，只需将Ｉ层代码针对ＭＰＣ５５５的编程结构做相应改动，使其完成系统时钟设置、中断管理和任务切换功能即可。

在前后台系统中，提供一个ＣＰＵ堆栈。发生中断时，将当前使用到的寄存器压入堆栈，保存现场，执行中断程序；中断程序完成后，从ＣＰＵ堆栈中弹出寄存器的值，恢复现场。

在多任务系统μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是这样。ＯＳ创建时，为每个任务建立并初始化一个堆栈。当发生中断或任务切换时，把当前任务运行现场保存起来，即将所有寄存器保存到该“旧”任务的堆栈中。当某个任务需要从就绪状态激活到运行状态时，ＯＳ又需将所有寄存器从该“新”任务的堆栈中弹出。这样，每个任务分时占用ＣＰＵ。而对各任务来说，每次进入运行态时，ＣＰＵ状态都与上次从运行态退出时完全一样。所以不再是使用一个ＣＰＵ堆栈，而是多个任务将各自的运行现场保存到自己的堆栈中。

图2 MPC555下uC/OS-II的中断处理流程图

    另外，调用Ｃ函数时也会使用到堆栈，此时编译器会创建一个堆栈；在Ｃ函数返回时，将其释放。其大小因Ｃ函数使用到的变量和编译器的不同而不同。在移植时，能够正确创建、初始化、保存并恢复各个任务的堆栈，是确保ＯＳ任务切换和中断管理顺利完成的关键。

ＭＰＣ５５５有３２个３２ｂｉｔ通用定点数寄存器，３２个６４ｂｉｔ浮点数寄存器，另有９个控制／状态寄存器。针对ＭＰＣ５５５的编程结构，设计如表１的堆栈结构。每次任务环境入栈时创建一含７３个位置的堆栈，为了保证浮点数寄存器的完整，每个位置为６４ｂｉｔ宽。创建任务时，建立该堆栈结构，并用默认值对其进行初始化。在任务保存或激活时把寄存器的值保存到堆栈中相应位置，或者从堆栈的相应位置把寄存器值弹出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作为堆栈指针ＳＰ使用，在堆栈操作时，要注意控制好ＳＰ。

表1 堆栈结构表

SP Offset	Register Saved	NUM	Default Value
584～336 328 320～80 72 64 56 48 40 32 24 16 8 0	FP31～FP0 FPSCR GPR31～GPR0 DAR CTX LR XER CR SRR1 SRR0 MSR SP（GPR1）	73～42 41 40～10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0	0.0 0x000020FC0000 0x0 0x00 0x00 task*0x100000000[1] 0x00 0x00 0x0000B00200000000 task*0x100000000[1] 0x0000B00200000000 0

    注：堆栈所属任务代码入口地址

２ 中断管理

首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中断结构。在ＭＰＣ中有新的概念——异常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出现，包括中断、总线错误、指令错误、系统调用异常、实时中断异常和复位等。ＭＰＣ为异常提供了异常向量表。该表为每个异常提供一个２５６字节的异常处理代码空间。

所有外部中断和Ｉ／Ｏ子模块产生的中断共同作为异常的一种，占用异常向量表中的一个位置。在该异常处理程序中，软件需根据中断状态寄存器的值判断到底发生了哪个中断并进行相应处理。

在每次发生异常时，ＭＰＣ自动将主状态寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中，将程序指针ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；然后ＰＣ指针指向该异常在异常向量表中的起始位置，进入异常处理程序。每次异常返回时，调用ｒｆｉ指令，系统自动将ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，将ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序从ＳＲＲ０指向的位置继续执行。在发生异常和异常返回之间，不自动允许新的异常和中断。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允许异常，在适当的时候允许中断。

μＣ／ＯＳ－ＩＩ的异常处理过程中，用户及ＯＳ与硬件无关的代码完成图２中①、②、③、④、⑤这五个步骤。依次完成以下任务：①给ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１或调用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系统已进入中断；②分析中断源调用相应中断处理子程；③在该中断处理子程中完成清中断源；④进行其他中断处理；⑤调用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判断是否有更高优先级的任务被激活而需要进行任务调度，若不需要，则直接从中断返回；若需要，则调用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中断级任务调度。

移植中，为了在ＭＰＣ５５５上实现上述中断处理过程，需编写与硬件相关代码，为以上思路提供三个接口函数：进入中断、退出中断和中断级任务调度。根据ＭＰＣ５５５的编程结构，设计的完整中断程序流程如图２。虚框Ⅰ部分写在异常向量表中每个异常的处理代码空间中，依次调用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三个函数。

其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函数为①到⑤步中断处理子程提供调用接口。

虚框Ⅱ中为与硬件相关的函数Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它将发生中断时所有寄存器保存到当前任务的堆栈中，并处理ＣＰＵ状态。是ＯＳ进入中断的接口函数。

虚框Ⅲ中为与硬件相关的函数Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它从当前任务（可能是中断发生时的任务，也可能是新的被激活的任务）堆栈中恢复所有ＣＰＵ寄存器，并从中断返回，是ＯＳ退出中断的接口函数。

虚框Ⅳ中为与硬件和编译器相关的函数ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它将新的高优先级就绪态任务调整为当前任务，完成中断级任务调度，随后调用Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）退出中断，进入新的被激活的任务。应注意，在中断级任务调度过程中，①、⑤两处Ｃ函数被调用后不需要返回，所以需要将堆栈指针ＳＰ向下做适当调整，以丢弃这两个函数调用时编译器产生的堆栈。Ｃ函数调用时，产生堆栈的大小与编译器相关，因此应根据编译器产生的代码决定此处丢弃堆栈的大小。为保证异常时需要丢弃的堆栈大小不变，可使用图２中的方法，在异常处理时另外调用函数完成步骤③、④，以确保不同异常处理过程中，①、⑤两处Ｃ函数被调用时，编译器建立的堆栈大小一致。

３ 任务切换

μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任务调度由函数ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６系统上，ＯＳＳｃｈｅｄ?穴?雪在获得当前新的最高优先级的任务指针后，调用ＣＰＵ软中断完成任务切换。

在ＭＰＣ５５５上，可以用系统调用异常处理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替软中断。该异常处理程序如图３所示，完成以下三个步骤：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中将当前任务运行环境保存到当前任务的堆栈中；②调用任务级调度函数ＯＳＣｔｘＳｗ（），将新的高优先级就绪态任务调整为当前任务；③从新任务堆栈中弹出所有寄存器的值，恢复中断，完成任务切换。其中①、③两部分代码与中断管理程序相同，不需要重新编写，只需编写函数ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任务指针的切换工作。

任务切换过程不可以被打断，所以，上述过程中始终不能打开中断。

４ 时钟管理

μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系统初始化后，开始一个系统时钟节拍，它是ＯＳ系统的时间基准。该时钟节拍一般由时间中断产生。ＭＰＣ５５５中可产生时间节拍的模块有很多，本次移植选用ＤＥＣ异常。因为它与外部中断使用不同的异常向量，便于对异常事件的管理，有利于提高ＯＳ的稳定性。

ＤＥＣ时钟同步于ＴＭＢＣＬＫ，其频率可选，本次移植设置为２．５ＭＨｚ。代码在时钟初始化和每次进入ＤＥＣ异常时，将ＤＥＣ计数器设置为２．５Ｍ／ＯＳ＿

ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，这样，可使ＯＳ每秒种产生ＯＳ＿ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ个时钟节拍。

５ 应用方法

在使用移植后的ＯＳ时，用户需要编写自己的主程序ｍａｉｎ（），其流程如图４。在适当的初始化后即可启动ＯＳ。

另外，用户需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任务中启动时钟节拍，调用ＯＳＳｔａｔＩｎｉｔ（）函数初始化统计任务，创建所需的其他任务，最后调用ＯＳＴａｓｋＤｅｌ（）函数删除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任务自己。ＯＳ在该函数调用结束后，会自动允许异常和中断，ＯＳ正常运转，不断调度任务，响应中断。