μCOS-II移植到ARM处理器上的几个要点 - 全文

　　一、uCOS II在ARM处理器上移植过程中的中断处理

　　uCOS II是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁和抢占式的实时多任务操作系统，其大部分源码是用ANSI C编写，与处理器硬件相关的部分使用汇编语言编写。总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，以便于移植到任何一种其它的CPU上。

　　uCOS II最多可支持56个任务，其内核为占先式，总是执行就绪态的优先级最高的任务，并支持Semaphore （信号量）、Mailbox （邮箱）、MessageQueue（消息队列）等多种常用的进程间通信机制。与大多商用RTOS不同的是，uCOS II公开所有的源代码。并可以免费获得，只对商业应用收取少量License费用。

　　uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3个文件有关，中断处理的移植占据了很大一部分内容。作为移植的一个重点，本文以标准中断（IRQ）为例讨论了移植中的中断处理。

　　1 uCOS II系统结构

　　uCOS II的软硬件体系结构如图1。应用程序处于整个系统的顶层。每个任务都可以认为自己独占了CPU，因而可以设计成为一个无限循环。大部分代码是使用ANSI C语言书写的，因此uCOS II的可移植性较好。尽管如此，仍然需要使用C和汇编语言写一些处理器相关的代码。uCOS II的移植需要满足以下要求：

　　1）处理器的C编译器可以产生可重入代码：可以使用C调用进入和退出Critical Code（临界区代码）；

　　2）处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源；

　　3）处理器需能容纳一定数据的硬件堆栈；

　　4）处理器需有能在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。

　　移植uCOS II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP（Board Support Package）的编写。uCOS II处理器无关的代码提供uCOS II的系统服务，应用程序可以使用这些API函数进行内存管理、任务间通信以及创建、删除任务等。

　　2 uCOS II移植过程中需要注意的几个问题

　　uCOS II移植的中断处理跟ARM体系结构和uCOS II处理中断的过程有关，必须注意这2个方面的问题才能高效移植。

　　2.1 ARM 处理器7种操作模式

　　用户模式（USER MODE）是ARM 通常执行状态，用于执行大多数应用程序；快速中断模式（FIQ MODE）支持数据传输或通道处理；中断模式（IRQ MODE）用于通用中断处理；超级用户模式（SVC MODE）是一种操作系统受保护的模式：数据中止模式（ABT MODE）指令预取指中止、数据中止时进入该模式；未定义模式（UND MODE）当执行未定义的指令时进入该模式；系统模式（SYS MODE）是操作系统一种特许的用户模式。

　　除了用户模式之外，其他模式都归为特权模式，特权模式用于中断服务、异常或者访问受保护的资源。

　　特权模式中除系统模式之外另5种模式又称为异常模式，在移植过程中必须设置中断向量表来处理异常。uCOS II的移植主要处理标准中断（IRQ）、快速中断（FIQ）和软件中断（SWI）。

　　2.2 uCOS II中断响应的过程

　　以IRQ中断为例，假设CRPS中I_bit位为0，当有IRQ中断时，CPU强制进入IRQ模式，当前的CPSR拷贝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以关闭IRQ中断。数据保存之后，CPU强行从0X00000018开始执行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR（）的地址， 然后执行OS_CPU_IRQ_ISR（）。在OS_CPU_IRQ_ISR（）中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）被调用来检测中断源并执行中断。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR（）又调用OSIntExit（）来确认是否有比ISR优先级更高的任务要执行。如果当前中断任务仍然是优先级最高的任务，OSIntExit（）返回，OS_CPU_IRQ_ISR（）弹出中断堆栈，如果优先级更高的任务需要执行，OSIntExit（）调用OSIntCtxSw（）执行优先级更高的任务。

　　2.3 uCOS II的临界段代码

　　uCOS II使用关中断来保护临界代码。它定义了2个宏来开中断（OS_EXIT_CRITICAL（）），关中断（OS_ENTER_CRITICAL（））。OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）有3种方法来实现，uCOS II建议使用第3种方法可以保存当前处理器状态的值。

　　3 uCOS II移植过程中的中断处理

　　uCOS II中断处理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有关，其移植过程主要有以下几个步骤。

　　3.1 在CRT.S中设置中断向量表

　　ARM的中断向量表位于ROM 的最底部，其地址范围为0X00000000～0X0000001C，设置如下：

　　VECTORS:LDR PC，RESET_ADDR

　　LDR PC，UNDEF_ADDR

　　LDR PC，SWI_ADDR

　　LDR PC，PABT_ADDR

　　LDR PC，DABT_ADDR

　　NOP /*保留向量*/

　　LDR PC，IRQ_ADDR

　　LDR PC，FIQ_ADDR

　　RESET_ADDR：。 WORD RESET_HANDLER

　　UNDEF_ADDR：.WORD UNDEF—HANDLER

　　SWI_ADDR：.WORD SWI HANDLER

　　PABT_ADDR：.WORD PABT_HANDLER

　　DABT_ADDR：.WORD DABT_ HANDLER

　　.WORD 0 /*保留地址*/

　　IRQ_ADDR：.WORD IRQ_HANDLER

　　FIQ_ADDR：.WORD FIQ HANDLER

　　UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

　　SWI_HANDLER： B SWI_HANDLER

　　PABT_HANDLER： B PABT_HANDLER

　　DABT_HANDLER： B DABT_HANDLER

　　IRQ_HANDLER： B OS_CPU_IRQ_ISR

　　/*跳转到OS_CPU_IRQ_ISR（在OS_CPU_A.S中）*/

　　FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR

　　/*跳转到OS_CPU_FIQ_ISR（在OS_CPU_A.S中） */

　　这里设置了标准中断异常（IRQ）和快速中断异常（FIQ）的中断入口，其余异常都设置为死循环，当发生这些异常的时候，必须使系统复位才能退出死循环。

　　3.2 移植中断任务切换

　　中断任务切换（OSIntCtxSw）和任务切换函数（OSCtxSw）比较相似，主要有以下几步组成：

　　1）调用OSTask SwHook（）

　　2）OSPrioCur=OSPrioHighRdy

　　3）OSTCBCur=OSTCBHighRdy

　　4）SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

　　//获取高优先级的任务堆栈指针

　　5）从高优先级的任务的堆栈中弹出高优先级的任务上下文

　　6）执行高优先级的任务

　　3.3 移植中断服务程序

　　以IRQ中断为例中断服务程序（OS_CPU_IRQ_ISR）主要依据上面所描述的“uCOS II中断响应的过程”编写，其主要代码如下：

　　……

　　LDR R0，OS_IntNesting

　　LDRB R1，［R0］

　　ADD R1，R1，#1

　　STRB R1，［R0］

　　CMP R1，#l 

　　BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

　　LDR R4，OS_TCBCur

　　LDR R5，［R4］

　　STR SP，［R5］

　　OS_CPU_IRQ_ISR_1：

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | IRQ32_MODE）

　　//切换到SVC模式

　　LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | SVC32_MODE）

　　//切换到SVC模式

　　LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit（）

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　……

　　在代码中省略了现场工作寄存器的保护与恢复及工作模式的切换。

　　3.4 移植中断处理程序

　　以IRQ中断为例，移植中断处理程序：

　　C程序

　　void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（void）{PFNCT pfnct; //定义中断函数指针pfnct=（PFNCT）VICVectAddr; //获取函数地址while（pfnct！=（PFNCT）0）{（*pfnct）（）； //调用中断函数pfnct=（PFNCT）VICVectAddr； //获取新的中断函数} //所有中断都执行完毕退出}

　　中断处理程序依赖中断控制器的中断响应顺序，所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）归属于用户程序的一部分。在中断返回之前，中断处理程序要处理完所有的中断响应，以避免在多个中断同时响应或中断处理过程中响应中断的情况下， 进入OS_CPU_IRQ_ISR （） 和退出OS_CPU_IRQ_ISR（）时，OS_CPU_IRQ_ISR（）耗尽保存CPU寄存器的堆栈空间。

　　另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）中不要清CPSR的I位来开放中断，因为没有必要使用中断嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）在返回之前会检查并处理所有的中断。

　　3.5 编写中断函数

　　中断函数一般采用C语言编写，uCOS II建议中断函数应尽量短，一般做法是在中断函数中缓存数据，给任务发送一个信号来处理数据。中断函数的地址在系统初始化的时候要置人中断向量寄存器（VICVectAddr0～15）。由于向量中断控制器（VIC）的特殊结构，在中断函数中要写一次中断向量寄存器（VICVectAddr）。

　　4 中断处理的应用示例

　　uCOS II要提供周期性信号源，用于实现时间延时和确认超时。节拍率应为10～100 Hz。时钟节拍源可以由专门的硬件定时器产生，以下就以IRQ中断方式产生节拍源为示例。

　　初始化中断控制器：

　　C程序

　　void VICInit（void）{VICIntEnClr=0xfffff;VICDefVectAddr=-（INT32U）Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= （INT32U）OSTickISR;VICVectCntl0= （0x20 | 0x04）;VICIntEnable= 1《《4;}

　　定时器0中断函数：

　　C程序

　　void OSTickISR（void）{TO_IR = 0xff；OSTimeTick（）； //调用OSTimeTick（）VICVectAddr=0; //通知中断控制器中断结束}

　　当定时中断发生时调用OS_CPU_IRQ_ISR Handler（），得到OSTickISR（）的地址并执行，在OSTickISR（）中调用OSTimeTick（）为uCOS II提供周期性信号源。

　　此代码在GNU工具链ARM-GCC下编译通过，并在EasyARM2100开发实验板上得到验证。

　　通过示例讲述了在uCOS II移植过程中的中断处理所需要注意的几个问题和通用方法，经笔者在GNU工具链下编译、调试，并在实验板上得到很好的验证。这种移植方案的中断函数都使用C语言编写，具有较好的移植性，有利于对不同需求的用户进行中断扩充，增强了中断嵌套时uCOS II运行的稳定性，使移植具有更好的通用性。

　　二、μCOS-II 在ARM处理器上的移植要点

　　1． 设置OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码

　　/********************************************************************

　　*

　　* 与编译器相关的数据类型

　　*********************************************************************

　　/

　　typedef unsigned char BOOLEAN;

　　typedef unsigned char INT8U; //8 位无符号整数

　　typedef signed char INT8S; //8 位有符号整数

　　typedef unsigned int INT16U; //16 位无符号整数

　　typedef signed int INT16S; //16 位有符号整数

　　typedef unsigned long INT32U; //32 位无符号整数

　　typedef signed long INT32S; //32 位有符号整数

　　typedef float FP32; //单精度浮点数

　　typedef double FP64; //双精度浮点数

　　typedef unsigned int OS_STK; //堆栈入口宽度为16 位

　　#define BYTE INT8S //字节型

　　#define UBYTE INT8U //为了与uC/OS V1.xx.兼容

　　#define WORD INT16S // 。。. uC/OS-II.

　　#define UWORD INT16U

　　#define LONG INT32S

　　#define ULONG INT32U

　　/********************************************************************

　
　* 与ARM 处理器相关的代码

　　********************************************************************/

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） ARMDisableInt（） /*关闭中断*/

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） ARMEnableInt（） /*开启中断*/

　　/* 设施堆栈的增长方向*/

　　#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆栈由高地址向低地址增长*/

　　2． 用C 语言编写六个操作系统相关的函数（OS_CPU_C.C）

　　void *OSTaskStkInit （void （*task）（void *pd），void *pdata， void *ptos， INT16U opt）

　　{

　　unsigned int *stk;

　　opt = opt; /* 因为‘opt’ 变量没有用到，防止编译器产生警告*/

　　stk = （unsigned int *）ptos; /*装载堆栈指针*/

　　/* 为新任务创建上下文*/

　　*--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， 关闭FIQ */

　　*--stk = （SVC32MODE|0x0）; /* spsr IRQ， 关闭FIQ */

　　return （（void *）stk）;

　　}

　　void OSTaskCreateHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告

　　}

　　void OSTaskDelHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告

　　}

　　void OSTaskSwHook （void）

　　void OSTaskStatHook （void）

　　void OSTimeTickHook （void）

　　后5 个函数为钩子函数，可以不加代码。

　　3． 用汇编语言编写四个与处理器相关的函数（OS_CPU.ASM）

　　（1）OSStartHighRdy（）；运行优先级最高的就绪任务

　　LDR r4， addr_OSTCBCur ; 得到当前任务的TCB 地址

　　LDR r5， addr_OSTCBHighRdy ; 得到高优先级任务的TCB 地址

　　LDR r5， ［r5］ ;得到堆栈指针

　　LDR sp， ［r5］ ;切换到新的堆栈

　　STR r5， ［r4］ ; 设置新的当前任务的TCB 地址

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR SPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r4} ; 从栈顶得到新的声明

　　MSR CPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r0-r12， lr， pc } ; 开始新的任务

　　END

　　（2）OSCtxSw（）；任务级的任务切换函数

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存PC 指针

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存lr 指针

　　STMFD sp！， {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址

　　MRS r4， CPSR

　　STMFD sp！， {r4} ; 保存当前PSR

　　MRS r4， SPSR

　　STMFD sp！， {r4}

　　; OSPrioCur = OSPrioHighRdy

　　LDR r4， addr_OSPrioCur

　　LDR r5， addr_OSPrioHighRdy

　　LDRB r6， ［r5］

　　STRB r6， ［r4］

　　; 得到当前任务的TCB 地址

　　LDR r4， addr_OSTCBCur

　　LDR r5， ［r4］

　　STR sp， ［r5］ ; 保存栈指针在占先任务的TCB 上

　　; 取得高优先级任务的TCB 地址

　　LDR r6， addr_OSTCBHighRdy

　　LDR r6， ［r6］

　　LDR sp， ［r6］ ;得到新任务的堆栈指针

　　; OSTCBCur = OSTCBHighRdy

　　STR r6， ［r4］ ; 设置当前新任务的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（）；中断级的任务切换函数

　　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（）；中断服务函数

　　STMDB sp！，{r0-r11，lr}

　　;interrupt disable（not nessary）

　　mrs r0， CPSR

　　orr r0， r0， #0x80 ; 设置中断禁止标

　　msr CPSR_cxsf， r0 ;中断结束

　　; 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 就可以正常运行在ARM 处理器上了。