μCOS-II移植到ARM处理器上的几个要点

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editor 发布于:周六, 10/08/2016 - 17:06 ,关键词:

一、uCOS II在ARM处理器上移植过程中的中断处理
  
uCOS II是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁和抢占式的实时多任务操作系统,其大部分源码是用ANSI C编写,与处理器硬件相关的部分使用汇编语言编写。总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度,以便于移植到任何一种其它的CPU上。
  
uCOS II最多可支持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)、MessageQueue(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,uCOS II公开所有的源代码。并可以免费获得,只对商业应用收取少量License费用。
  
uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3个文件有关,中断处理的移植占据了很大一部分内容。作为移植的一个重点,本文以标准中断(IRQ)为例讨论了移植中的中断处理。
  
1、uCOS II系统结构
  
uCOS II的软硬件体系结构如图1。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。大部分代码是使用ANSI C语言书写的,因此uCOS 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。uCOS 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:可以使用C调用进入和退出Critical Code(临界区代码);
  
2)处理器必须支持硬件中断,并且需要一个定时中断源;
  
3)处理器需能容纳一定数据的硬件堆栈;
  
4)处理器需有能在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。
  
移植uCOS II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP(Board Support Package)的编写。uCOS II处理器无关的代码提供uCOS 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。
  
2、uCOS II移植过程中需要注意的几个问题
  
uCOS II移植的中断处理跟ARM体系结构和uCOS II处理中断的过程有关,必须注意这2个方面的问题才能高效移植。
  
2.1 ARM 处理器7种操作模式
  
用户模式(USER MODE)是ARM 通常执行状态,用于执行大多数应用程序;快速中断模式(FIQ MODE)支持数据传输或通道处理;中断模式(IRQ MODE)用于通用中断处理;超级用户模式(SVC MODE)是一种操作系统受保护的模式:数据中止模式(ABT MODE)指令预取指中止、数据中止时进入该模式;未定义模式(UND MODE)当执行未定义的指令时进入该模式;系统模式(SYS MODE)是操作系统一种特许的用户模式。
  
除了用户模式之外,其他模式都归为特权模式,特权模式用于中断服务、异常或者访问受保护的资源。
  
特权模式中除系统模式之外另5种模式又称为异常模式,在移植过程中必须设置中断向量表来处理异常。uCOS II的移植主要处理标准中断(IRQ)、快速中断(FIQ)和软件中断(SWI)。
  
2.2 uCOS II中断响应的过程
  
以IRQ中断为例,假设CRPS中I_bit位为0,当有IRQ中断时,CPU强制进入IRQ模式,当前的CPSR拷贝到SPSR_irq中,PC值保存在LR_irq中,置CPSR中的I位以关闭IRQ中断。数据保存之后,CPU强行从0X00000018开始执行,PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址, 然后执行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被调用来检测中断源并执行中断。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后,OS_CPU_IRQ_ISR()又调用OSIntExit()来确认是否有比ISR优先级更高的任务要执行。如果当前中断任务仍然是优先级最高的任务,OSIntExit()返回,OS_CPU_IRQ_ISR()弹出中断堆栈,如果优先级更高的任务需要执行,OSIntExit()调用OSIntCtxSw()执行优先级更高的任务。
  
2.3 uCOS II的临界段代码
  
uCOS II使用关中断来保护临界代码。它定义了2个宏来开中断(OS_EXIT_CRITICAL()),关中断(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3种方法来实现,uCOS II建议使用第3种方法可以保存当前处理器状态的值。
  
3、uCOS II移植过程中的中断处理
  
uCOS II中断处理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有关,其移植过程主要有以下几个步骤。
  
3.1 在CRT.S中设置中断向量表
  
ARM的中断向量表位于ROM 的最底部,其地址范围为0X00000000~0X0000001C,设置如下:

  VECTORS:LDR PC,RESET_ADDR
  LDR PC,UNDEF_ADDR
  LDR PC,SWI_ADDR
  LDR PC,PABT_ADDR
  LDR PC,DABT_ADDR
  NOP /*保留向量*/
  LDR PC,IRQ_ADDR
  LDR PC,FIQ_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 /*保留地址*/
  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
  /*跳转到OS_CPU_IRQ_ISR(在OS_CPU_A.S中)*/
  FIQ_HANDLER: B OS_CPU_FIQ_ISR
  /*跳转到OS_CPU_FIQ_ISR(在OS_CPU_A.S中) */

这里设置了标准中断异常(IRQ)和快速中断异常(FIQ)的中断入口,其余异常都设置为死循环,当发生这些异常的时候,必须使系统复位才能退出死循环。
  
3.2 移植中断任务切换
  
中断任务切换(OSIntCtxSw)和任务切换函数(OSCtxSw)比较相似,主要有以下几步组成:

  1)调用OSTask SwHook()

  2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy

  3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy

  4)SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

  //获取高优先级的任务堆栈指针

  5)从高优先级的任务的堆栈中弹出高优先级的任务上下文

  6)执行高优先级的任务

3.3 移植中断服务程序
  
以IRQ中断为例中断服务程序(OS_CPU_IRQ_ISR)主要依据上面所描述的“uCOS II中断响应的过程”编写,其主要代码如下:

  ……
  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
  LDR R5,[R4]
  STR SP,[R5]
  OS_CPU_IRQ_ISR_1:
  MSR CPSR_c,#(NO_INT | IRQ32_MODE)
  //切换到SVC模式
  LDR R0,OS_CPU_IRQ_ISR_Handler
  MOV LR,PC
  BX R0
  MSR CPSR_c,#(NO_INT | SVC32_MODE)
  //切换到SVC模式
  LDRR0,OS_IntExit //OSIntExit()
  MOV LR,PC
  BX R0
  ……
  
在代码中省略了现场工作寄存器的保护与恢复及工作模式的切换。
  
3.4 移植中断处理程序
  
以IRQ中断为例,移植中断处理程序:
  
C程序
  
void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler(void){PFNCT pfnct; //定义中断函数指针pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //获取函数地址while(pfnct!=(PFNCT)0){(*pfnct)(); //调用中断函数pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //获取新的中断函数} //所有中断都执行完毕退出}
  
中断处理程序依赖中断控制器的中断响应顺序,所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()归属于用户程序的一部分。在中断返回之前,中断处理程序要处理完所有的中断响应,以避免在多个中断同时响应或中断处理过程中响应中断的情况下, 进入OS_CPU_IRQ_ISR () 和退出OS_CPU_IRQ_ISR()时,OS_CPU_IRQ_ISR()耗尽保存CPU寄存器的堆栈空间。
  
另外,在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()中不要清CPSR的I位来开放中断,因为没有必要使用中断嵌套,OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()在返回之前会检查并处理所有的中断。
  
3.5 编写中断函数
  
中断函数一般采用C语言编写,uCOS II建议中断函数应尽量短,一般做法是在中断函数中缓存数据,给任务发送一个信号来处理数据。中断函数的地址在系统初始化的时候要置人中断向量寄存器(VICVectAddr0~15)。由于向量中断控制器(VIC)的特殊结构,在中断函数中要写一次中断向量寄存器(VICV粗体ectAddr)。
  
4、中断处理的应用示例
  
uCOS II要提供周期性信号源,用于实现时间延时和确认超时。节拍率应为10~100 Hz。时钟节拍源可以由专门的硬件定时器产生,以下就以IRQ中断方式产生节拍源为示例。
  
初始化中断控制器:

C程序
  
void VICInit(void){
VICIntEnClr=0xfffff;
VICDefVectAddr=-(INT32U)Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= (INT32U)OSTickISR;
VICVectCntl0= (0x20 | 0x04);
VICIntEnable= 1《《4;
}
  
定时器0中断函数:
  
C程序

  void OSTickISR(void)
{
TO_IR = 0xff;
OSTimeTick(); //调用OSTimeTick()
VICVectAddr=0; //通知中断控制器中断结束
}
  
当定时中断发生时调用OS_CPU_IRQ_ISR Handler(),得到OSTickISR()的地址并执行,在OSTickISR()中调用OSTimeTick()为uCOS II提供周期性信号源。
  
此代码在GNU工具链ARM-GCC下编译通过,并在EasyARM2100开发实验板上得到验证。
  
通过示例讲述了在uCOS II移植过程中的中断处理所需要注意的几个问题和通用方法,经笔者在GNU工具链下编译、调试,并在实验板上得到很好的验证。这种移植方案的中断函数都使用C语言编写,具有较好的移植性,有利于对不同需求的用户进行中断扩充,增强了中断嵌套时uCOS II运行的稳定性,使移植具有更好的通用性。
  
二、μCOS-II 在ARM处理器上的移植要点
  
1、设置OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码

  /********************************************************************
  *
* 与编译器相关的数据类型
  *********************************************************************
  /
  typedef unsigned char BOOLEAN;
  typedef unsigned char INT8U; //8 位无符号整数
  typedef signed char INT8S; //8 位有符号整数
  typedef unsigned int INT16U; //16 位无符号整数
  typedef signed int INT16S; //16 位有符号整数
  typedef unsigned long INT32U; //32 位无符号整数
  typedef signed long INT32S; //32 位有符号整数
  typedef float FP32; //单精度浮点数
  typedef double FP64; //双精度浮点数
  typedef unsigned int OS_STK; //堆栈入口宽度为16 位
  #define BYTE INT8S //字节型
  #define UBYTE INT8U //为了与uC/OS V1.xx.兼容
  #define WORD INT16S // 。。. uC/OS-II.
  #define UWORD INT16U
  #define LONG INT32S
  #define ULONG INT32U
  /********************************************************************
* 与ARM 处理器相关的代码
  ********************************************************************/
  #define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt() /*关闭中断*/
  #define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt() /*开启中断*/
  /* 设施堆栈的增长方向*/
  #define OS_STK_GROWTH 1 /*堆栈由高地址向低地址增长*/
  
2、用C 语言编写六个操作系统相关的函数(OS_CPU_C.C)

  void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd),void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
  {
  unsigned int *stk;
  opt = opt; /* 因为‘opt’ 变量没有用到,防止编译器产生警告*/
  stk = (unsigned int *)ptos; /*装载堆栈指针*/
  /* 为新任务创建上下文*/
  *--stk = (unsigned int) task; /* pc */
  *--stk = (unsigned int) task; /* lr */
  *--stk = 0; /* r12 */
  *--stk = 0; /* r11 */
  *--stk = 0; /* r10 */
  *--stk = 0; /* r9 */
  *--stk = 0; /* r8 */
  *--stk = 0; /* r7 */
  *--stk = 0; /* r6 */
  *--stk = 0; /* r5 */
  *--stk = 0; /* r4 */
  *--stk = 0; /* r3 */
  *--stk = 0; /* r2 */
  *--stk = 0; /* r1 */
  *--stk = (unsigned int) pdata; /* r0 */
  *--stk = (SVC32MODE|0x0); /* cpsr IRQ, 关闭FIQ */
  *--stk = (SVC32MODE|0x0); /* spsr IRQ, 关闭FIQ */
  return ((void *)stk);
  }
  void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)
  {
  ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告
  }
  void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)
  {
  ptcb=ptcb;//防止编译时出现警告
  }
  void OSTaskSwHook (void)
  void OSTaskStatHook (void)
  void OSTimeTickHook (void)
  
后5 个函数为钩子函数,可以不加代码。
  
3、用汇编语言编写四个与处理器相关的函数(OS_CPU.ASM)
  
(1)OSStartHighRdy();运行优先级最高的就绪任务

  LDR r4, addr_OSTCBCur ; 得到当前任务的TCB 地址
  LDR r5, addr_OSTCBHighRdy ; 得到高优先级任务的TCB 地址
  LDR r5, [r5] ;得到堆栈指针
  LDR sp, [r5] ;切换到新的堆栈
  STR r5, [r4] ; 设置新的当前任务的TCB 地址
  LDMFD sp!, {r4}
  MSR SPSR_cxsf, r4
  LDMFD sp!, {r4} ; 从栈顶得到新的声明
  MSR CPSR_cxsf, r4
  LDMFD sp!, {r0-r12, lr, pc } ; 开始新的任务
  END

(2)OSCtxSw();任务级的任务切换函数

  STMFD sp!, {lr} ; 保存PC 指针
  STMFD sp!, {lr} ; 保存lr 指针
  STMFD sp!, {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址
  MRS r4, CPSR
  STMFD sp!, {r4} ; 保存当前PSR
  MRS r4, SPSR
  STMFD sp!, {r4}
  ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy
  LDR r4, addr_OSPrioCur
  LDR r5, addr_OSPrioHighRdy
  LDRB r6, [r5]
  STRB r6, [r4]
  ; 得到当前任务的TCB 地址
  LDR r4, addr_OSTCBCur
  LDR r5, [r4]
  STR sp, [r5] ; 保存栈指针在占先任务的TCB 上
  ; 取得高优先级任务的TCB 地址
  LDR r6, addr_OSTCBHighRdy
  LDR r6, [r6]
  LDR sp, [r6] ;得到新任务的堆栈指针
  ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy
  STR r6, [r4] ; 设置当前新任务的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();中断级的任务切换函数
  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();中断服务函数
  STMDB sp!,{r0-r11,lr}
  ;interrupt disable(not nessary)
  mrs r0, CPSR
  orr r0, r0, #0x80 ; 设置中断禁止标
  msr CPSR_cxsf, r0 ;中断结束
  ; 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 就可以正常运行在ARM 处理器上了。

文章来源:互联网(版权归原著作者所有)

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