一种实时操作系统μC/OS-II在LPC2114上移植的实现

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                    　　传统的嵌入式系统设计大多采用单任务顺序机制，应用程序是一个无限的大循环，所有的事件都按顺序执行，与时间相关性较强的事件靠定时中断来保证，由此带来系统的稳定性、实时性较差；尤其当系统功能较复杂，且对实时性要求较严格时，这种单任务机制的弱点暴露无遗。本文引入的嵌入式操作系统μC/OS-II是一个多任务的实时内核，主要提供任务管理功能。在实时系统中的多个任务，必须决定这些任务的优先级顺序，任务调度算法需要动态为就绪任务的优先级排序。为了满足对实时性要求越来越高的需要，同时避免频繁改变就绪任务的优先级，在分析μC/OS-II源代码的基础上，对其调度算法进行改进。
　　LPC2114是Philips公司开发的一款支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S CPU,并嵌入了128KB的高速Flash存储器。其内部集成了与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB,ARM AMBA总线的兼容超集）。LPC2114将ARM7TDMI-S配置为小端（little-endian）字节顺序。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。
　　将μC/OS-II移植在LPC2119上不仅有益于ARM和μC/OS-II在车用控制器上的应用，其成果还可以用于其他嵌入式工业控制领域。本次移植中，使用CodeWarrior For ARM Developer Suite v1.2编译调试环境。
　　1? μC/OS-II系统结构
　　μC/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核；支持56个用户任务，支持信号量、邮箱、消息队列等常用的进程间通信机制；适用于各种微控制器和微处理器；所有代码用ANSI C语言编写，程序的可读性强，具有良好的可移植性，已被移植到多种处理器架构中，在某些实时性要求严格的领域中得到广泛应用。
　　图1为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μC/OS-II代码是使用ANSI C语言编写的，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的移植需要满足下列要求：（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的主要工作涉及处理器及编译器相关代码以及BSP的编写。
　　2? μC/OS-II BSP的编写
　　BSP是板级支持包，是介于主板硬件和操作系统之间的一层，应该说是属于操作系统的一部分，主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP,例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一CPU来说尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的，所以写BSP一定要按照该系统BSP的定义形式来写（BSP的编程过程大多数是在某一个成型的BSP模板上进行修改）。这样才能与上层OS保持正确的接口，良好的支持上层OS.
　　为μC/OS-II编写一个简单的BSP的方法是：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；然后使用C语言设置LPC2114向量中断控制器、GPIO以及SRAM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。
　　LPC2114处理器支持七种类型的异常。异常出现后，CPU强制从异常类型对应的固定存储地址开始执行程序，因此需要在程序头建立起异常向量表，例如：

　





?
　　向量从上到下依次为复位、未定义指令异常、软件中断、预取指令中止、预取数据中止、保留的异常、IRQ和FIQ.保留的异常向量位置所填的数据0xb9205f80是为了使向量表中所有的数据32位累加和为0.这个向量在ARM文件中标识为保留，该位置被Boot装载程序用作有效的用户程序关键字。当向量表中所有的数据累加为0（且外部硬件禁止进入ISP程序）时，Boot装载程序将执行用户程序。
　　从异常向量表可知：芯片复位时程序会跳转到标号Reset处。程序首先调用InitSTack初始化各种模式的堆栈，然后调用TargetResetInit对系统进行基本的初始化，最后跳转到ADS提供的启动代码__main.例如：
　　Reset
　　BL InitStack
　　BL TargetResetInit
　　B__main
　　同时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，它可以自己主动放弃CPU,而没有必要等到自己的时间片全都用完。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OSLickISR（ ）调用了 OSIntExit（ ），OSIntExit（ ）又再次调用了OSIntCtxSw（ ），如果进行任务切换，则二次调用都不会返回，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（ ）是与编译器相关的。在ADS编译环境下，OSIntCtxSw的软件流程如图2所示。

            
                   



　　3? μC/OS-II 任务堆栈初始化
　　μC/OS-II中每个任务都有自己的任务堆栈。在任务创建初期由OSTaskStkInit（ ）初始化。初始化堆栈的目的就是模拟一次中断。任务堆栈中保存了任务代码的起始地址和一些CPU寄存器（初值是无关紧要的），这样一旦条件满足，就可以执行任务了。LPC2114在中断发生时，会自动保存程序指针PC、状态寄存器SR以及其他一些信息。图3为针对LPC2114编程结构设计的堆栈结构。



　　本次移植的函数OSTaskStkInt（ ）代码为：




?
　　4? μC/OS-II系统时钟管理
　　μC/OS-II需要在系统初始化时开始一个系统时钟节拍，它是OS系统的时间基准。该时钟节拍一般由时间中断产生。LPC2114中可产生时钟节拍的模块很多，本次移植采用定时器0异常。因为它与外部中断使用不同的异常向量，便于对异常事件的管理，有利于提高OS的稳定性。32位定时器TC的计数频率由plck经过PR分频控制得到，而定时器的启动/停止、计数复位由TCR控制。当有捕获事件或比较匹配事件发生时，IR会设置相关的中断标志，若已打开中断允许，则会产生中断。
　　本次移植设置系统时钟频率为11.0592MHz,代码在时钟初始化和每次进入定时器0异常时，将定时器0的计数器PWMTC设置为11.0592M/OS_TICKS_PER_SEC,这样可使OS每秒钟产生OS_TICKS_PER_SEC的时钟节拍。
　　5? 应用方法
　　在使用移植后的OS时，用户需要编写自己的主程序main（ ），其流程图如图4.在适当的初始化后即可启动OS.



　　另外，用户需在TaskStart任务中启动时钟节拍，调用OS_StartInit（ ）函数初始化统计任务，创建所需的其他任务，最后调用OSTaskDel（ ）函数删除TaskStart任务。OS在该函数调用结束后，会自动允许异常和中断，OS正常运转，不断调度任务，响应中断。