详解μC/OS-II在ARM平台上移植

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。