隨著嵌入式技術的快速發(fā)展,實時多任務操作系統(tǒng)作為一種軟件平臺已逐步成為國際嵌入式系統(tǒng)的主流,目前世界上已經(jīng)有一大批成熟的實時嵌入式操作系統(tǒng)。

通常,對嵌入式軟件的基本要求是體積小、指令速度快、具有較好的裁減性和可移植性,目前,實時操作系統(tǒng)很多,如vxworks,windows ce,psos,qnx,lynxos等,這些操作系統(tǒng)都具有高可靠性、強實時性等特點,但他們都是商業(yè)操作系統(tǒng),價格昂貴,人們往往很難接受,μc/os-ⅱ操作系統(tǒng)的出現(xiàn)是對這些商業(yè)操作系統(tǒng)的一個很大的沖擊。

1 μc/os-ⅱ操作系統(tǒng)簡介

μc/os-ⅱ是源碼公開的實時操作系統(tǒng),是一個自由操作系統(tǒng)。程序開發(fā)人員可以改寫源代碼,使之符合自己的要求,裁減掉不需要的部分,使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活、并且能滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。為了提高系統(tǒng)的實時能力,μc/os-ⅱ可以將一個復雜的應用劃分為多個相互獨立的任務,并根據(jù)任務的重要性來分配優(yōu)先級。任務的調(diào)度完全由μc/os-ⅱ的實時內(nèi)核完成,主要包括任務的狀態(tài)管理、選擇最高優(yōu)先級的任務、執(zhí)行任務和撤銷任務等,μc/os-ⅱ內(nèi)核還負責cpu時間分配,cpu時間總是優(yōu)先分配給中斷事件,其次是任務隊列中當前優(yōu)先級最高的任務,不同任務間的通信可以通過μc/os-ⅱ提供的信號量、郵箱、信息隊列等機制完成,他的絕大部分代碼是用c語言編寫的,可移植性強,因此1997年以后,在國際上逐漸被廣泛采用。

2 其軟硬件體系及可移植性分析

μc/os-ⅱ核心代碼很小,程序開發(fā)人員要把他移植到自己的目標板中只需做少量的工作。圖1是基于μc/os-ⅱ的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件體系結構。

雖然μc/os-ⅱ大部分源代碼是用c語言寫的,但是完成和處理器有關的代碼時,還是用匯編語言來實現(xiàn)的,由圖1可以看出,μc/os-ⅱ的移植的主要工作是修改與處理器相關部分的代碼,他們集中在3個文件中,其中,os_cpu.h包含與處理器相關的常量、宏和結構體的定義;os_cpu_c.c和os_cpu_asm中定義了用于底層的任務切換,退出中斷服務程序,在cpu級屏蔽中斷、打開中斷、對任務棧初始化以及時鐘的中斷服務程序的函數(shù)等,為了使應用程序運行于μc/os-ⅱ上,還要相應地修改應用中使用的硬件和設備驅(qū)動。

3 μc/os-ⅱ的移植工作

3.1 與應用相關的代碼

這一部分是用戶根據(jù)自己的應用系統(tǒng)來定制合適的內(nèi)核服務功能,包括2個文件：os_cfg.h和includes.h。

os_cfg.h 用來配置內(nèi)核,用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進行修改,留下需要的部分,去掉不需要的部分,比如系統(tǒng)可提供的最大任務數(shù)量,是否定制郵箱服務,是否提供優(yōu)先級動態(tài)改變功能等等,所有的配置更改包括頭文件的增減均在該文件中進行。

includes.h 系統(tǒng)頭文件,整個實時系統(tǒng)程序所需要的文件,包括了內(nèi)核和用戶的頭文件,這樣使得用戶項目中的每個.c文件不用分別去考慮他實際上需要哪些頭文件。

3.2 與處理器相關的代碼

這是移植中最關鍵的部分。內(nèi)核將應用系統(tǒng)和底層硬件有機地結合成一個實時系統(tǒng),要使同一個內(nèi)核能適用于不同的硬件體系,就需要在內(nèi)核和硬件之間有一個中間層,這就是與處理器相關的代碼,處理器不同,這部分代碼也不同,我們在移植時需要自己處理這部分代碼,在μc/os中這一部分代碼分成3個文件：os_cpu.h,os_cpu_a.asm,os_cpu_c.c。

3.2.1 os_cpu.h

包含了用#define定義的與處理器相關的常量、宏和類型定義,具體有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義、棧增長方向定義、關中斷和開中斷定義、系統(tǒng)軟中斷的定義等。

（1）不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型

μc/os-ⅱ不使用c語言中的short,int和long等數(shù)據(jù)類型的定義,因為他們與處理器類型有關,隱含著不可移植性,代之以移植性強的整數(shù)數(shù)據(jù)類型,這樣,既直觀又可移植。根據(jù)ads編譯器的特性,代碼為：

typedef unsigned char boolean;

typedef unsigned char int8u;

typedef signed char int8s;

typedef unsigned short int16u;

typedef signed short int16s;

typedef unsigned int int32u;

typedef signed int int32s;

typedef float fp32;

typedef double fp64;

typedef int32u os_stk;

（2）使用軟中斷swi做底層接口

因為帶t變量的arm7處理器核具有兩個指令集,用戶任務可以使用兩種處理器模式,為了使底層接口函數(shù)與處理器狀態(tài)無關,同時在任務調(diào)用相應函數(shù)時不需要知道該函數(shù)位置,本例使用軟中斷指令swi作為底層接口,使用不同的功能號區(qū)分不同的函數(shù),其swi服務函數(shù)代碼為：

（3）os_stk_growth

μc/os-ⅱ使用結構常量os_stk_growth指定堆棧的生長方式,其代碼為：

#define os_stk_growth 1

3.2.2 os_cpu_c.c

包含了與移植有關的c函數(shù),包括堆棧的初始化和一些鉤子函數(shù)的實現(xiàn),但是最重要的是ostaskstkinit（）函數(shù),該函數(shù)是在用戶建立任務時系統(tǒng)內(nèi)部自己調(diào)用的,用來對用戶任務的堆棧初始化。在arm7體系結構下,任務堆?？臻g由高至低遞減,依次保存著pc,lr,r12,…,r1,r0,cpsr的初始化堆棧結構,當用戶初始化了堆棧,ostaskstkinit（）就返回新的堆棧指針stk所指的定地址。ostaskcreate（）和ostaskcreateext（）會獲得該地址并將他保存到任務控制塊tcb中,其他的幾個鉤子函數(shù)必須聲明,但可以不包含任務代碼,這些鉤子函數(shù)在本移植中全為空函數(shù)。

3.2.3 os_cpu_a.s

μc/os-ⅱ移植的絕大部分工作都集中在os_cpu_a.s文件的移植上,在這個文件里,最困難的工作又集中體現(xiàn)在osintctxsw和ostickisr這兩個函數(shù)的實現(xiàn)上。這是因為這兩個函數(shù)的實現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關硬件定時器、中斷寄存器的設置有關,在實際的移植工作中,這兩個地方也是比較容易出錯的地方,這部分需要對處理器的寄存器進行操作,所以必須用匯編語言編寫,包括4個子函數(shù)：osstarthighrdy（）、osctxsw（）、osintctxsw（）、ostickisr（）。

osstarthighrdy（）該函數(shù)首先調(diào)用鉤子函數(shù)ostaskswhook（）,然后將osrunning標志位設置為真,表示任務開始執(zhí)行,從而保證任務切換操作的正確執(zhí)行,緊接著從具有最高優(yōu)先級的任務控制塊中取得任務的堆棧指針,初始化堆棧指針寄存器sp,然后恢復其他的寄存器,開始執(zhí)行最高優(yōu)先級的任務。

osctxsw（）該函數(shù)在任務級任務切換函數(shù)中調(diào)用,首先保存處理器寄存器,將當前sp存入任務tcb中,載入就緒最高優(yōu)先級任務的sp,從新任務的任務堆棧中恢復處理器所有寄存器的值,然后執(zhí)行中斷返回指令。

osintctxsw（）該函數(shù)是在isr中執(zhí)行任務切換功能,其原理基本上與任務級的切換相同,區(qū)別只是isr已經(jīng)保存了cpu的寄存器,因此不要再進行類似的操作,只需對堆棧指針作相應的調(diào)整即可。

ostickisr（）該函數(shù)是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務函數(shù),首先要保存處理器寄存器,接著調(diào)用osintenter（）函數(shù),以保證中斷嵌套層數(shù)不超過255層,如果滿足了該條件,則把堆棧指針保存到當前任務的任務控制塊tcb中,然后給產(chǎn)生中斷的設備清中斷,重新允許中斷,接下來調(diào)用ostimetick（）來維持μc/os-ⅱ內(nèi)部的定時以及調(diào)用osintexit（）函數(shù)決定是否因為這個中斷服務程序的執(zhí)行,使得更高優(yōu)先級的任務就緒。

4 μc/os-ⅱ的測試

做完移植工作以后,就要測試移植是否正確,這其實是移植過程的最后一步,應該首先不加任何用代碼來測試移植好的μc/os-ⅱ,即應該首先測試內(nèi)核自身的運行狀況,這樣做的目的是如果有些部分未能正常工作,那就是移植本身的問題,而不是應用代碼產(chǎn)生的問題,主要分為以下幾個步驟來進行移植的測試：

首先,必須了解處理器所使用的編譯器系統(tǒng),這個步驟取決于使用的編譯器,在這期間是無代碼的測試,其次,要驗證ostaskstkinit（）和osstarthighrdy（）函數(shù),在os_cfg.h文件中設置os_task_stat_en為0,只讓一個空閑任務os_taskidle（）運行,檢查是否出錯,然后需要驗證任務級切換osctxsw（）函數(shù),在測試任務tasktest（）中加入ostimedly（）函數(shù),ostimedly（）函數(shù)接著調(diào)用os_sched（）,os_sched（）調(diào)用匯編語言編寫的函數(shù)osctxsw（）函數(shù),如果是正確配置了swi,cpu就會開始執(zhí)行osctxsw（）,最后,需要驗證osintctxsw（）和ostickisr（）函數(shù)。

當上述的這些測試步驟都成功后,可以嘗試運行一些具體的任務,按照由簡到繁的過程不斷使測試變得復雜,來進一步驗證內(nèi)核的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能。

這里建立了一個簡單的led燈閃爍控制任務,其代碼如下：

加載后,led燈閃爍控制正常,則測試成功,內(nèi)核正常運轉,若測試出現(xiàn)問題,就要認真找出問題所在,不可忽略硬件的問題,還有編譯器等,當然也可以采用其他的測試,如串口的測試等。

5 結語

以上所述為μc/os-ⅱ在arm7上移植的通用方法,但針對不同的處理器還需要作適當?shù)男薷?rtos是當今嵌入式應用的熱點,應用rtos,可以提高產(chǎn)品的可靠性,降低研發(fā)周期,其中μc/os-ⅱ具有很好的實時性和很小的代碼量,占用空間少,執(zhí)行效率高,移植方法相對簡單,因此掌握μc/os-ⅱ的移植方法是相當重要的。