uCOS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關的部分使用匯編語言編寫?？偭考s200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植到任何一種其它的CPU上。
uCOS II最多可支持56個任務，其內核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務，并支持Semaphore(信號量)、Mailbox (郵箱)、MessageQueue(消息隊列)等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是，uCOS II公開所有的源代碼。并可以免費獲得，只對商業(yè)應用收取少量License費用。
uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3個文件有關，中斷處理的移植占據(jù)了很大一部分內容。作為移植的一個重點，本文以標準中斷(IRQ)為例討論了移植中的中斷處理。
1uCOS II系統(tǒng)結構
uCOS II的軟硬件體系結構如圖1。應用程序處于整個系統(tǒng)的頂層。每個任務都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設計成為一個無限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此uCOS II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關的代碼。uCOS II的移植需要滿足以下要求：
1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼：可以使用C調用進入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼);
2)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源;
3)處理器需能容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧;
4)處理器需有能在CPU寄存器與內存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。
移植uCOS II的主要工作就是處理器和編譯器相關代碼以及BSP(Board Support Package)的編寫。uCOS II處理器無關的代碼提供uCOS II的系統(tǒng)服務，應用程序可以使用這些API函數(shù)進行內存管理、任務間通信以及創(chuàng)建、刪除任務等。
2uCOS II移植過程中需要注意的幾個問題
uCOS II移植的中斷處理跟ARM體系結構和uCOS II處理中斷的過程有關，必須注意這2個方面的問題才能高效移植。
2.1 ARM 處理器7種操作模式
用戶模式(USER MODE)是ARM 通常執(zhí)行狀態(tài)，用于執(zhí)行大多數(shù)應用程序;快速中斷模式(FIQ MODE)支持數(shù)據(jù)傳輸或通道處理;中斷模式(IRQ MODE)用于通用中斷處理;超級用戶模式(SVC MODE)是一種操作系統(tǒng)受保護的模式：數(shù)據(jù)中止模式(ABT MODE)指令預取指中止、數(shù)據(jù)中止時進入該模式;未定義模式(UND MODE)當執(zhí)行未定義的指令時進入該模式;系統(tǒng)模式(SYS MODE)是操作系統(tǒng)一種特許的用戶模式。
除了用戶模式之外，其他模式都歸為特權模式，特權模式用于中斷服務、異?；蛘咴L問受保護的資源。
特權模式中除系統(tǒng)模式之外另5種模式又稱為異常模式，在移植過程中必須設置中斷向量表來處理異常。uCOS II的移植主要處理標準中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷(SWI)。
2.2 uCOS II中斷響應的過程
以IRQ中斷為例，假設CRPS中I_bit位為0，當有IRQ中斷時，CPU強制進入IRQ模式，當前的CPSR拷貝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以關閉IRQ中斷。數(shù)據(jù)保存之后，CPU強行從0X00000018開始執(zhí)行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址， 然后執(zhí)行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被調用來檢測中斷源并執(zhí)行中斷。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR()又調用OSIntExit()來確認是否有比ISR優(yōu)先級更高的任務要執(zhí)行。如果當前中斷任務仍然是優(yōu)先級最高的任務，OSIntExit()返回，OS_CPU_IRQ_ISR()彈出中斷堆棧，如果優(yōu)先級更高的任務需要執(zhí)行，OSIntExit()調用OSIntCtxSw()執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務。
2.3 uCOS II的臨界段代碼
uCOS II使用關中斷來保護臨界代碼。它定義了2個宏來開中斷(OS_EXIT_CRITICAL())，關中斷(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3種方法來實現(xiàn)，uCOS II建議使用第3種方法可以保存當前處理器狀態(tài)的值。
3uCOS II移植過程中的中斷處理
uCOS II中斷處理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有關，其移植過程主要有以下幾個步驟。
3.1 在CRT.S中設置中斷向量表
ARM的中斷向量表位于ROM 的最底部，其地址范圍為0X00000000～0X0000001C，設置如下：
VECTORS:LDR PC，RESET_ADDR
LDR PC，UNDEF_ADDR
LDR PC，SWI_ADDR
LDR PC，PABT_ADDR
LDR PC，DABT_ADDR
NOP
LDR PC，IRQ_ADDR
LDR PC，F(xiàn)IQ_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
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
FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR
這里設置了標準中斷異常(IRQ)和快速中斷異常(FIQ)的中斷入口，其余異常都設置為死循環(huán)，當發(fā)生這些異常的時候，必須使系統(tǒng)復位才能退出死循環(huán)。
3.2 移植中斷任務切換
中斷任務切換(OSIntCtxSw)和任務切換函數(shù)(OSCtxSw)比較相似，主要有以下幾步組成：
1)調用OSTask SwHook()
2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy
3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy
4)SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr
//獲取高優(yōu)先級的任務堆棧指針
5)從高優(yōu)先級的任務的堆棧中彈出高優(yōu)先級的任務上下文
6)執(zhí)行高優(yōu)先級的任務
3.3 移植中斷服務程序
以IRQ中斷為例中斷服務程序(OS_CPU_IRQ_ISR)主要依據(jù)上面所描述的“uCOS II中斷響應的過程”編寫，其主要代碼如下：
……
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[!--empirenews.page--]
LDR R5，[R4]
STR SP，[R5]
OS_CPU_IRQ_ISR_1：
MSR CPSR_c，#(NO_INT | IRQ32_MODE)
//切換到SVC模式
LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler
MOV LR，PC
BX R0
MSR CPSR_c，#(NO_INT | SVC32_MODE)
//切換到SVC模式
LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit()
MOV LR，PC
BX R0
……
在代碼中省略了現(xiàn)場工作寄存器的保護與恢復及工作模式的切換。
3.4 移植中斷處理程序
以IRQ中斷為例，移植中斷處理程序：
C程序
void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler(void){PFNCT pfnct; //定義中斷函數(shù)指針pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //獲取函數(shù)地址while(pfnct!=(PFNCT)0){(*pfnct)(); //調用中斷函數(shù)pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //獲取新的中斷函數(shù)} //所有中斷都執(zhí)行完畢退出}
中斷處理程序依賴中斷控制器的中斷響應順序，所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()歸屬于用戶程序的一部分。在中斷返回之前，中斷處理程序要處理完所有的中斷響應，以避免在多個中斷同時響應或中斷處理過程中響應中斷的情況下， 進入OS_CPU_IRQ_ISR () 和退出OS_CPU_IRQ_ISR()時，OS_CPU_IRQ_ISR()耗盡保存CPU寄存器的堆?？臻g。
另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()中不要清CPSR的I位來開放中斷，因為沒有必要使用中斷嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()在返回之前會檢查并處理所有的中斷。
3.5 編寫中斷函數(shù)
中斷函數(shù)一般采用C語言編寫，uCOS II建議中斷函數(shù)應盡量短，一般做法是在中斷函數(shù)中緩存數(shù)據(jù)，給任務發(fā)送一個信號來處理數(shù)據(jù)。中斷函數(shù)的地址在系統(tǒng)初始化的時候要置人中斷向量寄存器(VICVectAddr0～15)。由于向量中斷控制器(VIC)的特殊結構，在中斷函數(shù)中要寫一次中斷向量寄存器(VICV粗體ectAddr)。
4中斷處理的應用示例
uCOS II要提供周期性信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時。節(jié)拍率應為10～100 Hz。時鐘節(jié)拍源可以由專門的硬件定時器產(chǎn)生，以下就以IRQ中斷方式產(chǎn)生節(jié)拍源為示例。
初始化中斷控制器：
C程序
void VICInit(void){
VICIntEnClr=0xfffff;
VICDefVectAddr=-(INT32U)Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= (INT32U)OSTickISR;
VICVectCntl0= (0x20 | 0x04);
VICIntEnable= 1《《4;
}
定時器0中斷函數(shù)：
C程序
void OSTickISR(void)
{
TO_IR = 0xff;
OSTimeTick(); //調用OSTimeTick()
VICVectAddr=0; //通知中斷控制器中斷結束
}
當定時中斷發(fā)生時調用OS_CPU_IRQ_ISR Handler()，得到OSTickISR()的地址并執(zhí)行，在OSTickISR()中調用OSTimeTick()為uCOS II提供周期性信號源。
此代碼在GNU工具鏈ARM-GCC下編譯通過，并在EasyARM2100開發(fā)實驗板上得到驗證。
通過示例講述了在uCOS II移植過程中的中斷處理所需要注意的幾個問題和通用方法，經(jīng)筆者在GNU工具鏈下編譯、調試，并在實驗板上得到很好的驗證。這種移植方案的中斷函數(shù)都使用C語言編寫，具有較好的移植性，有利于對不同需求的用戶進行中斷擴充，增強了中斷嵌套時uCOS II運行的穩(wěn)定性，使移植具有更好的通用性。
1設置OS_CPU.H 中與處理器和編譯器相關的代碼
#define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt()
#define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt()
#define OS_STK_GROWTH 1
2用C 語言編寫六個操作系統(tǒng)相關的函數(shù)(OS_CPU_C.C)
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd)，void *pdata， void *ptos， INT16U opt)
{
unsigned int *stk;
opt = opt;
stk = (unsigned int *)ptos;
*--stk = (unsigned int) task;
*--stk = (unsigned int) task;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = 0;
*--stk = (unsigned int) pdata;
*--stk = (SVC32MODE|0x0);
*-
-stk = (SVC32MODE|0x0);
return ((void *)stk);
}
void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時出現(xiàn)警告
}
void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時出現(xiàn)警告
}
void OSTaskSwHook (void)
void OSTaskStatHook (void)
void OSTimeTickHook (void)
后5 個函數(shù)為鉤子函數(shù)，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(shù)(OS_CPU.ASM)
(1)OSStartHighRdy();運行優(yōu)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(yōu)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?shù)玫叫碌穆暶?/p>
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(shù)
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[!--empirenews.page--]
LDR r5， [r4]
STR sp， [r5] ; 保存棧指針在占先任務的TCB 上
; 取得高優(yōu)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(shù)
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(shù)
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。
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