μC/OS-II在ARM平台上移植的深入探讨

    μC/OS-II在ARM平台的移植是一个重要的学习过程，有助于提高对RTOS的认识与理解，从而提高嵌入式工作者的理论与技术水平。μC/OS-II是一个小的实时内核，源代码公开，有详尽的解释。正是因为其内核小，才便于研究、理解和掌握。另外，参照TCP/IP协议、标准和一些公开的图书，在μC/OS-II上增加TCP/IP协议栈，蓝牙通信软件、红外通信协议也十分方便，商业价值得到了认可。

    随着科技的发展，嵌入式应用的复杂性越来越高，同时ARM体系处理器的价格越来越低，ARM平台 + 实时操作系统的架构体系的使用会越来越广泛。有鉴于此，本文对μC/OS-II在ARM平台下的移植进行了深入探讨。

1 操作系统μC/OS-II及S3C2410开发平台简介

1.1 μC/OS-II简介

    μC/OS最早出自于1992年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse在《嵌入式系统编程》杂志5月和6月上刊登的文章连载，并把μC/OS的源代码发表在该杂志的BBS上。μC/OS-II是目前最新的版本。

　μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用而设计的，绝大部分代码用C语言编写。CPU的相关部分采用汇编语言编写，总量在200行左右的汇编语言被压缩到最低限度，目的是便于移植到任何一种其他的CPU上去。μC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性优良、可扩展等特点，最小内核可编译至2 KB。μC/OS-II可移植到几乎所有知名的CPU上。

1.2 μC/OS-II的组成

    严格地说μC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提出输入输出管理、文件系统、网络通信等额外的服务。但由于μC/OS-II良好的可扩展性和源代码开放，这些非必须的功能完全可以由用户根据自己的需要分别实现。

    μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信、CPU的移植等5个部分[1]。

    (1)核心部分（OSCore.c）:操作系统的处理核心，包括操作系统的初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。

    (2)任务处理部分(OSTask.c):与任务操作密切相关的部分。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。

    (3)时钟部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作在此完成。

    (4)任务同步和通信部分：为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分，主要用于任务间的相互联系和对临界资源的访问。

    (5)与CPU的接口部分：这里是指μC/OS-II针对所使用的CPU需要改写的部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，其开放的源代码是以X86内核为例而编写的，在应用到其他处理器平台上时，这部分代码必须做相应的改变。

1.3 ARM硬件开发平台简介

    调试时所用的硬件开发平台是一款基于三星S3C2410A芯片的开发平台。S3C2410开发板是一款通用的ARM9开发板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片，主频203 MHz。集成有SDRAM控制器、NAND Flash控制器、SD读卡器、USB Host和USB Device控制器、LCD控制器、I2C总线控制器、SPI总线接口等。开发板上Flash空间为32 MB，SDRAM容量为128 MB。

2 S3C2410引导程序

    开发板原有引导程序由VIVI公司提供，其运行过程分成两个阶段。第一阶段的代码用汇编语言编程，主要完成以下任务： (1)初始化CPU速度、存储器、存储器配置寄存器，以及串口等硬件资源的配置；(2)建立内存空间的映射图，将系统的软硬件环境带到合适的状态，为最终调用操作系统内核做准备； (3)装载操作系统映像到内存中；(4)设置相关寄存器和资源，跳转到main（）函数，进入第二阶段。

    第二阶段的代码用C语言编写，从main（）函数开始,主要工作有:开发板外部接口初始化(I/O接口、UART接口、LCD接口等)、内存映射和内存管理单元初始化等，最后启动linux内核。有大量文章对此开发板引导程序作了详细的分析[3]，本文在这里不做重复，本文的重点是将引导程序与μC/OS-II操作系统二者融合，既利用了开发板源代码提供的关于UART口、LCD和触摸屏接口程序；时钟、内存管理等丰富的驱动程序和接口程序，又成功地完成了对μC/OS-II实时操作系统的移植和整合。

3 移植要点

　　μC/OS-II的内核分成2个部分，与处理器无关的代码和与处理器有关的代码。移植过程中需要根据S3C2410处理器和ADSV1.2开发平台（这里特地强调编译平台的因素，主要考虑到各个编译平台对数据格式的理解略有差别）的特点来重新编写3个文件，用C语言编写的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用汇编语言编写的OS_CPU_A.ASM，此外，要将S3C2410开发板引导程序和μC/OS-II内核程序融合在一起，还必须将各自main（）函数融为一体。

3.1 OS_CPU.H的移植

    μC/OS-II内核中OS_CPU.H代码是根据X86内核而写的，其中的数据格式定义与ARM9内核以及ADSv1.2开发平台不完全相符。OS_CPU.H的移植分为以下4个部分：

    (1)数据类型定义:在调试时发现，虽然定义8 bit或16 bit数据类型时,在编译过程中不会报错，但这些变量并不会按要求被正确初始化或赋值，运行过程常常出错。所以，在改写OS_CPU.H代码时，将所有变量都定义成32 bit或64 bit；

    (2)堆栈生长方向定义:ARM的堆栈是从上往下生长的，OS_STK_GROWTH定义为1；

    (3)开关中断的宏定义:用开关中断的汇编函数实现，放在OS_CPU_A.ASM文件中。

    (4)宏定义OS_TASK_SW（）:这个宏定义是在ARM中断处理之外时，μC/OS-II从低优先级切换到高优先级任务时所调用的代码，它总是在任务级代码中被调用。在有些资料中[1]，将OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw（）等同起来，这在ARM内核中是不行的，因为后者是ARM内核在中断模式下的任务切换函数，而不同模式下处理器的寄存器组是不同的，所要保护的寄存器内容也不相同，经过调试，发现以下代码可达到目的。

OS_TASK_SW    
    stmfd    sp!, {lr}                         ; PC入栈，lr其实是任务的返回地址，
    stmfd    sp!, {r0-r12, lr}
    mrs        r4,  cpsr
    stmfd    sp!, {r4}                     ;最后保存CPSR        ldr        r4, =OSTCBCur
    ldr        r5, [r4]
    str        sp, [r5]                      ;将SP保存在当前任务的控制块中        ldr    r5, =OSTCBHighRdy
    ldr        r5, [r5]
    str        r5, [r4]                       ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy        ldr    r6, =OSPrioHighRdy
    ldr        r6, [r6]
    ldr        r4, =OSPrioCur
    str        r6, [r4]                       ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy
    ldr        sp, [r5]                    ;得到新任务的堆栈指针
    ldr        r4, [sp], #4        
    msr        cpsr_cxsf, r4                            ;先恢复CPSR
    ldmfd    sp!, {r0-r12, lr, pc}

3.2  OS_CPU_C.C.H的移植

    在OS_CPU_C.C中,最主要的函数是OSTaskStkInit（），它在任务建立时,用来初始化任务堆栈结构，其余钩子函数可以不用动,这个函数的代码比较简单[2]。需要说明的是，由于本文所述系统，用户任务运行在SVC模式下，没有保存SPSR寄存器。

3.3 OS_CPU_A.ASM的移植

    OS_CPU_A.ASM文件的汇编程序是μC/OS-II移植工程的重点和难点。它通常包括OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTickISR（）和开关中断代码等。其中，OSStartHighRdy()的主要工作是将优先级最高任务对应的所有寄存器按顺序从任务堆栈中恢复出来,其代码简单[2]。对于开关中断函数，在调试时所用代码如下：

EnterCritical   
    mrs    r1, cpsr
    str    r1, [r0]
    orr    r1, r1, #NOINT
    msr    cpsr_cxsf, r1        
    mov pc, lr    
ExitCritical
    ldr    r1, [r0]
    msr    cpsr_cxsf, r1    
    mov pc, lr    

    需要指出的是，在每次成对调用这两个函数时，需要提前声明变量r，代码如下所示:

    INT32U          r;
    EnterCritical(&r);
    ExitCritical(&r);

    需要慎重对待的是OSIntCtxSw()、OSTickISR（）函数。在调试时发现，用一般参考资料所介绍的代码都无法实现多任务的正常运行，其主要原因是，对ARM9内核而言，其每种特定的中断返回，都有特定的返回指令，在中断处理过程中，强制使用模式切换指令，使处理器的中断处理机制发生混乱，程序无法正常执行。例如在ISR模式中使用指令：

　MSR CPSR_c, #(NO_INT | SVC32_MODE)

其目的是返回ISR发生之前的模式，然后保存一些寄存器。但调试时发现，在上述指令执行之后，处理器重新响应ISR中断，并没有顺序执行，而是立即回到ISR模式下

　还有，对于S3C2410的ARM920T内核而言，其ISR模式的返回指令是：

    ldmfd    sp!, {r0-r12, lr}
　   subs        pc, lr, #04

其他任何形式的指令都无法使处理器正确返回。有些资料用下述指令：

    Ldmfd  sp!, {r0-r12, lr，pc}; 执行之前堆栈中相应存储单元的内容为（lr-4）。

　看起来与前面的两行代码意义相同，但后面的代码仅仅让处理器实现PC指针的跳转，而无法实现处理器的模式转换，即从ISR模式回到中断发生之前的模式。

　但在中断发生时，无法在中断处理过程中保存所有的处理器寄存器。例如，在ISR模式下，无法保存SVC模式的LR寄存器等。为了解决这个问题，本文采取了如图1所示的框图结构来编写中断处理代码和OSIntCtxSw()函数。

    因为S3C2410在进入ISR模式后,自动屏蔽ISR中断，所以粗存在中断嵌套,可以表明2个全部变量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中断发生之时处理器的lr和spsr寄存器。其代码的特别之处在于，在ISR中断处理过程中通过修改lr寄存器，而使处理器在退出ISR模式时能根据任务的需要返回至ISR中断发生之处或者代码指定地点。在代码指定地点，可以保存上次中断发生时被中断任务的处理器的所有寄存器数据。这里需要注意一点，当处理器退出ISR模式时跳转到Saveregister处开始执行命令，需要提前将Saveregister处的地址加上4，然后赋值给lr寄存器。因为在ISR退出时，需要将lr减去4再赋值给程序计数器pc。

4 S3C2410启动代码和μC/OS-II的融合

　本文1.1节已经介绍过，S3C2410的启动代码开始部分是汇编语言的初始化过程，然后跳转到main（）函数。融合的工作就从改造S3C2410的main（）函数和μC/OS-II的main（）函数（在test.c中）开始。在S3C2410的main（）函数中，保留原启动代码中关于端口、内存、外部设备初始化代码，删去跳转到Linux操作系统的代码；在μC/OS-II的test.c文件的main（）函数中，删去一切与X86内核有关的初始化代码和输入输出函数代码（因为这部分代码在S3C2410的启动代码中已经实现），并将与 μC/OS-II内核有关的3个函数OSInit()、OSTaskCreate(…)、OSStart()复制到S3C2410的main（）函数中，同时删去μC/OS-II的test.c文件。融合后的main（）函数主要代码如下：

　ChangeClockDivider(1, 1);                           //1:2:4
　　    ChangeMPllValue(161,3,1);             //FCLK=203.0 MHz
　　    SetClockDivider(1, 1);
　　    SetSysFclk(FCLK_203M);
　　    Port_Init();
　　    Isr_Init();
　　    Uart_Init(0, 115200);
　　    Uart_Select(0);    
　　    MMU_Init();                                         //MMU 初始化
     EnableModuleClock(CLOCK_ALL);    
　　    rMISCCR &= ~(0x3007);
    OSInit(); 
    OSTaskCreate(TaskStart,……, 0); 
　　    OSStart();               

    至此，处理器已执行完S3C2410的启动代码,并开始执行μC/OS-II内核代码。当然，要实现多任务，处理器的中断必须是打开的。这个工作在OSStart ()函数中完成，在执行OSStartHighRdy之前，要按照系统的需求完成处理器的中断初始化工作，同时打开中断。至此，融合工作基本完成，剩下的工作就是按照系统的需求在μC/OS-II的TaskStart（…）函数中自由添加实际工作所需的任务了。

    在本文所述系统中，在μC/OS-II所带3个系统任务的基础上添加了3个任务Task1、Task2和Task3，方法是在OSStatInit( )之前添加OSTaskCreate(Task1,…)等代码，然后按下述格式和自己的需求编写Task1、Task2和Task3函数。代码为：

    void    Task1(void *data)
　　{
　　        while(1)    { ;任务代码    }
　　}

    因篇幅所限，无法详述在融合过程中遇到的所有问题，尤其是在ADSv1.2环境下编译、调试过程出现的语法问题和各种细节问题。

    随着科技的发展和实际任务复杂性的逐步增加，传统的单片机前后台编程模式渐渐不能满足实际应用的要求。在嵌入式应用开发中使用嵌入式操作系统已经成为一种趋势，本文在S3C2410开发板上将原有的引导程序和μC/OS-II操作系统结合在一起，开发出能自引导的μC/OS-II操作系统，该系统除了3个系统任务外，还自带3个实际任务，在ADSV1.2环境下编译、调试，并在板卡上成功运行，对μC/OS-II在ARM平台上的移植有一定借鉴意义。