μC/OS-II在Cortex-M3系列单片机上的移植介绍

μC/OS-II在Cortex-M3系列单片机上的移植介绍

描述嵌入式操作系统μC/OSII在LM3S系列单片机上实现移植的过程。介绍操作系统的移植原理和方法，以LM3S8962单片机为例给出部分移植函数的代码，并通过一个实例的应用验证移植的正确性。

关键词  嵌入式实时操作系统  Cortex-M3  μC/OS-II移植  LM3S8962

引言

　　μC/OSII是一种简单高效、源代码公开的实时嵌入式操作系统，具有良好的扩展性和可移植性，被广泛应用到各种嵌入式处理器上；对于提高产品的质量，减少开发周期和降低成本有着重要的意义。本文以μC/OSII为移植对象，以ARM CortexM3内核微处理器为移植目标来讨论其移植过程及应用。

1  μC/OSII及ARM CortexM3简介

　　实时操作系统μC/OSII是一个基于优先级的抢占式实时内核，程序可读性强，移植性好，代码固定，可裁剪，非常灵活。至今，从8位到64位，μC/OSII已在超过40种不同架构的微处理器上运行。μC/OSII的主要特点有：是优先级可剥夺的实时多任务操作系统；可处理和调度56个用户任务，任务的优先级可以动态调整；提供任务间通信、同步使用的信号量、邮箱和消息队列；具有良好的可裁剪性，可尽量减小系统的ROM和RAM大小。

　　ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构，它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。当前ARM系列的处理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM 11等多个产品。CortexM3内核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能处理器内核，是ARM新型 V7 指令集结构系列的微控制器版本，可用于企业应用、汽车系统、家庭网络和无线技术等领域。其主要特点是：

　　① 功耗低；
　　② 内核的门数少，具有优异的性价比；
　　③ 中断延时短；
　　④ 调试成本低；
　　⑤ 具有嵌套向量中断控制器（NVIC），与处理器内核紧密结合实现低延迟的中断处理；
　　⑥ 具有可裁减的存储器保护单元（MPU），用于对存储器进行保护。

2  移植μC/OSII

　　Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含运行在 50 MHz频率下的ARM CortexM3 MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、1个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM以及正交编码器（quadrature encoder）输入，非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电源设备、步进电机、有刷和无刷DC马达、AC感应电动机等方面的应用。

　　本移植在如下环境中完成：编译工具采用IAR FOR ARM,目标板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962开发板。主机通过LMLINK JTAG连接目标板以建立交叉开发调试环境。
移植过程中,μC/OSII的核心源代码不用修改,可以直接放在μC/OSII Source文件夹中。μC/OSII\\Ports目录存放μC/OSII基于LM3S单片机的移植代码，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三个必要的文件。Target目录中的Startup.S文件是单片机的启动代码和中断向量表，Target.C和Target.H提供单片机初始化函数TargetInit( )和其他简单的外设控制API函数。层次结构如图1所示。

　　将μC/OSII移植到ARM处理器上需要修改3个与ARM体系结构相关的文件： OS_CPU .H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分别介绍这3个文件的移植工作。

图1

（1） OS_CPU.H文件

　　包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定义类型等。

　　① OS_CPU.H定义的数据类型。在这次移植中μC/OSII重新定义了数据类型，如下所示：

　　typedefunsigned charBOOLEAN;
　　typedefunsigned charINT8U;
　　typedefsigned charINT8S;
　　typedefunsigned shortINT16U;
　　typedefsignedshortINT16S;
　　typedefunsigned intINT32U;
　　typedefsignedintINT32S;
　　typedeffloatFP32;
　　typedefdoubleFP64;
　　typedefunsigned intOS_STK;
　　typedefunsigned intOS_CPU_SR;

　　② 修改与ARM处理器相关的内容。不同处理器的堆栈增长方向是不一样的，ARM CortexM3的堆栈是从高地址往低地址增长的，OS_STK_GROWTH设为1，程
序如下：

　　#defineOS_STK_GROWTH1

（2） OS_CPU_C.C文件

　　在OS_CPU_C.C定义的C函数中，OSTaskStkInit( )函数与CPU相关，所以移植代码需要修改该函数。其程序如下（初始化任务时调用此函数初始化任务使用的堆栈）：

　　OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK *ptos,INT16U opt) {
　　OS_STK *stk;
　　(void)opt;//防止编译警告
　　stk=ptos;//装载栈顶指针，即堆栈数组最后的地址模拟中断发生的堆栈情况
　　*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR
　　*(stk) =(INT32U)task;//PC,任务入口
　　*(stk) =(INT32U)0xFFFFFFFEL;//R14(LR)
　　*(stk) =(INT32U)0x12121212L;//R12
　　*(stk) =(INT32U)0x03030303L;//R3
　　*(stk) =(INT32U)0x02020202L;//R2
　　*(stk) =(INT32U)0x01010101L;//R1
　　*(stk) =(INT32U)p_arg;//R0,输入参数p_arg模拟任务进程，保存其他寄存器到堆栈
　　*(stk) =(INT32U)0x11111111L;//R11
　　*(stk) =(INT32U)0x10101010L;//R10
　　*(stk) =(INT32U)0x09090909L;//R9
　　*(stk) =(INT32U)0x08080808L;//R8
　　*(stk) =(INT32U)0x07070707L;//R7
　　*(stk) =(INT32U)0x06060606L;//R6
　　*(stk) =(INT32U)0x05050505L;//R5
　　*(stk) =(INT32U)0x04040404L;//R4
　　return(stk);
}

（3） OS_CPU_A.ASM文件

　　μC/OSII的移植需要编写5个简单的汇编语言函数。

　　① OS_ENTER _CRITICAL( )： 关闭中断源。
　　② OS_EXIT_CRITICAL( )： 重开中断源。
　　③ OSStartHighRdy( )： 运行当前优先级最高的任务。
　　④ OSCtxSw( )： 一个任务放弃CPU使用权时调用。
　　⑤ OSIntCtxSw（）： 在退出中断服务函数OSIntExit( )中被调用，实现中断级任务切换。

　　因为LM3S单片机目前只支持8位中断优先级中的高3位，所以这里把1左移5位即是00100000B,其宏定义为OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。

　　ARM CortexM3使用OSPendSV( )函数快捷地进行上下文切换。OSPendSV( )的C语言表述程序如下：

OSPendSV：关中断；
　　if(PSP !=NULL) {
　　　　保存R4～R11到任务堆栈SP_process;
　　　　OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;
　　}
　　OSTaskSwHook( );
　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
　　PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;
　　从新任务堆栈中恢复R4~R11;
　　恢复中断；
　　异常返回；

　　完成上述工作后，只要再根据目标板的实际情况编写Target目录中的3个文件，μC/OSII就可以运行在LM3S8962单片机上了。

3  实际应用

　　移植工作完成后，编写了一段程序，可以进行CAN通信，按键控制LED灯，通过RS232串口与主机相连实现对SD卡的读写等操作。下面是程序的部分代码：

staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任务堆栈*/
staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*启动任务的堆栈*/
static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任务的堆栈*/
static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按键任务的堆栈*/
static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任务的堆栈*/
OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收数据邮箱*/
OS_EVENT *DispSem;/*按键信号量 */
OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信号量*/

　　在Main.H中定义任务优先级为：

#defineTASK_START_PRIO0
#defineTASK_CARD_PRIO1
#defineTASK_LED_PRIO2
#defineTASK_KEY_PRIO3
#defineTASK_CAN_PRIO4

　　其中创建任务的任务代码为：

static void taskStart (void*parg) {
　　(void)parg;
　　DispSem = OSSemCreate(1);
　　DispSem1 = OSSemCreate(0);
　　targetInit();/*初始化目标单片机*/
　　#if OS_TASK_STAT_EN > 0
　　OSStatInit();/*使能统计功能*/
　　#endif
　　/*在这里创建其他任务*/
　　OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE  1], TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任务*/
　　OSTaskCreate ( Task_Card,/*创建SD卡操作任务*/
　　　　(void *)0,
　　　　&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE  1],
　　　　TASK_CARD_PRIO );
　　OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*创建按键操作任务*/
　　　　&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE  1],
　　　　TASK_KEY_PRIO);
　　OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*创建CAN操作任务 */
　　　　&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE  1],
　　　　TASK_CAN_PRIO);
　　while (1) {
　　　　OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*启动任务可在这里挂起*/
　　}
}
　　SDExample为方便观察SD卡操作任务编写的GUI界面，选好与程序对应的串口波特率，连接好硬件。从图2可以看到，对SD卡可以进行成功操作。

图2

结语

　　μC/OSII作为一个优秀的实时操作系统，已经被移植到各种体系结构的微处理器上。本设计实现了其在LM3S8962上的成功移植，并通过一个实例验证了移植的正确性。本次移植只是做了一些基础性工作，在此基础上还可进行进一步的开发，充分利用LM3S系列单片机的性能和μC/OSII的特点，在检测与维修领域发挥一定作用。