uCOS II在ARM处理器上移植过程中的中断处理

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。

5 结束语

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。