基于μC/OS-II在MCF5272上的移植方案解析

作为一个实时内核，μC/OS从1992年开始为人们熟悉，到现在已经发展为μC/OS-II。μC/OS-II最多支持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）、Message Queue（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，μC/OS-II公开所有的源代码，并可以免费获得，对商业应用收取少量License费用。一般商用操作系统如VxWorks、pSOS、WinCE，购买费用动辄数万美元，而且每件产品都需要交纳运行费，开发、使用成本高昂。
　　目前MCF5272是Motorola公司一款集成度最高的ColdFire处理器，采用ColdFire V2可变长RISC处理器核心和DigitalDNA技术，在66MHz时钟下能够达到63Dhrystone2.1MIPS。其内部SIM（System Integrated Module）单元集成了丰富的通用模块，如10/100MHz快速以太网控制器，USB1.1接口等，并且能够与常用的外围设备（如SDRAM、ISDN收发器）实现无缝连接，从而简化了外围电路设计，降低了产品成本、体积和功耗。
　　使用GNU工具链（包括交叉编译器GCC、汇编器AS等）进行μC/OS-II内核的编译，Host（宿主机）环境为Linux RedHat 6.2，MCF5272目标板上有4MB FLASH、16MB SDRAM。在宿主机上编译出MCF5272处理器的可执行代码，通过MCF5272的BDM调试工具下载到目标板调试运行。
　　1 μC/OS-II系统结构
　　图1说明了μC/OS-II的软硬件体系结构。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。μC/OS-II处理器无关的代码提供了μC/OS-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。
　　
　　大部分的μC/OS-II代码是使用ANSI C语言书写的，因此μC/OS-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。μC/OS-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;
　　（2）可以使用C调用进入和退出Critical Code（临界区代码）;
　　（3）处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源;
　　（4）处理器需要能够容纳一定数据的硬件堆栈;
　　（5）处理器需要有能够在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。
　　移植μC/OS-II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP的编写。
　　2 μC/OS-II BSP编写
　　BSP（板级支持包）是介于底层硬件和操作系统之间的软件层次，它完成系统上电后最初的硬件和软件初始化，并对底层硬件进行封装，使得操作系统不再面对具体的硬件。
　　为μC/OS-II编写一个简单的BSP。它首先设置CPU内部寄存器和系统堆栈，并初始化堆栈指针，建立程序的运行和调用环境;然后可以方便地使用C语言设置MCF5272片选地址（CS0～CS7）、GPIO以及SDRAM控制器，初始化串口（UART0）作为默认打印口，并向操作系统提供一些硬件相关例程和函数如dprintf（），以方便调试;在CPU、板级和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制权交给操作系统了。
　　MCF5272处理器将系统上电作为2号异常，因此需要在异常矢量表中相应位置填写第一条指令的物理地址，这可以在编译时自动完成。该矢量表必须存放在CS0对应的FLASH中供CPU上电时自动读取。如：
　　_vectors： //矢量表起始地址
　　.long 0x0， _start， _fault， _fault， 。.. //初始化1K字节矢量表
　　。..。..
　　_start： nop //第一条指令
　　move.w #0x2700， %sr //屏蔽所有中断
　　move.l #_vectors， %d0
　　move.c %d0， %VBR //#vectors-》VBR
　　move.l #0x10000001，%d0
　　move.c %d0， %MBAR //SIM单元基地址0x10000000
　　move.l #0x20000001，%a0 //SRAM起始地址0x20000000
　　move.c %a0， %RAMBAR0 //初始化内部SRAM
　　move.l #0x20001001， %a7 //设置堆栈指针
　　。..。..
　　jsr cpu_init //调用cpu_init初始化SIM单元
　　jsr ucos_start //启动uC/OS-II
　　。..。..
　　其中cpu_init函数用于初始化CPU内部SIM单元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化，不同生产商的SDRAM的初始化时序有一定差异。
　　BSP在完成片级和板级初始化后，还负责初始化程序自身，如将.data段的内容从只读的ROM复制到SDRAM中，建立运行时环境。以下是建立程序数据段的代码：
　　memcpy（&_sdata，&_etext， （&_edata - &_sdata））;//拷贝.data段
　　memset（&_sbss， 0， （&_ebss - &_sbss））;//将.bss段清零
　　还需要为μC/OS-II编写4个简单的汇编函数。在每个硬件时钟到来后，μC/OS-II会在中断服务例程中调用OSIntCtxSw（）进行任务调度;另外，当某个任务因等待资源而被挂起时，没有必要等到自己的时间片全都用完，可以自己主动放弃CPU，这可以通过调用一个任务级的任务调度函数OSCtxSw（）来实现。其中相对复杂的是OSIntCtxSw（）。由于OSTickISR（）调用了OSIntExit（），OSIntExit（）又再次调用了OSIntCtxSw（），如果进行任务切换，那么两次调用都不会返回，而不同的C编译器、不同的编译选项处理C调用时对堆栈的使用也不尽相同。因此OSIntCtxSw（）是编译器相关的。GCC在使用2～4级优化时，在主调函数中会是一个jsr跳转指令，而被调函数以linkw %fp， #开始。这两条指令都会影响堆栈指针。为了实现任务切换，必须重新调整堆栈指针以补偿调用的影响。