μCOS-II 在ARM微处理器上的移植

μCOS-II 在ARM 微处理器上的移植
一、 实验目的
1． 了解UC/OS-II 内核的主要结构。
2． 掌握将UC/OS-II 内核移植到ARM7 处理器上的基本方法。
二、 实验内容
1． 将UC/OS-II 内核移植到ARM7 处理器上。
2． 按键盘上的任意键，在超级终端上显示对应的键值。
三、 预备知识
1． 掌握在ARM SDT 2.5 集成开发环境中编写和调试程序的基本过程。
2． 会使用Source Insight 3 编辑C 语言源程序。
3． 了解ARM7 处理器的结构。
4． 了解UC/OS-II 系统结构。
四、 实验设备及工具
硬件：ARM 嵌入式开发板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 机Pentumn100 以
上。
软件：PC 机操作系统win98、ARM SDT 2.51 集成开发环境、仿真器驱动程序、Source
Insight 3.0
五、 实验原理
所谓移植，指的是一个操作系统可以在某个微处理器或者微控制器上运行。虽然μCOS-II
的大部分源代码是用C 语言写成的，但是，仍需要用C 语言和汇编语言完成一些与处理器
相关的代码。比如：μCOS-II 在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。因为μCOS-II
在设计的时候就已经充分考虑了可移植性，所以，μCOS-II 的移植还是比较容易的[1]。
要使μCOS-II 可以正常工作，处理器必须满足如下要求：
1． 处理器的C 编译器能产生可重入代码。
可重入的代码指的是一段代码（比如：一个函数）可以被多个任务同时调用，而不必担
心会破坏数据。也就是说，可重入型函数在任何时候都可以被中断执行，过一段时间以后又
可以继续运行，而不会因为在函数中断的时候被其他的任务重新调用，影响函数中的数据。
下面的两个例子可以比较可重入型函数和非可重入型函数：
程序1：可重入型函数
void swap(int *x, int *y)
{
int temp;
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;
}
程序2：非可重入型函数
int temp;
void swap(int *x, int *y)
{
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;

}
程序1 中使用的是局部变量temp 作为变量，通常的C 编译器，把局部变量分配在栈中。
所以，多次调用同一个函数，可以保证每次的temp 互不受影响。而程序2 中temp 定义的是
全局变量，多次调用函数的时候，必然受到影响。
代码的可重入性是保证完成多任务的基础，除了在C 程序中使用局部变量以外，还要C
编译器的支持。笔者使用的是ARM SDT 的集成开发环境，可以生成可重入的代码。
2． 在程序中可以打开或关断中断。
在μCOS-II 中，可以通过OS_ENTER_CRITICAL()或者OS_EXIT_CRITICAL()宏来控制
系统关闭或者打开中断。这需要处理器的支持。在ARM7TDMI 的处理器上，可以设置相应
的寄存器来关闭或者打开系统的所有中断。
3． 处理器支持中断，并能产生定时中断（通常在10Hz~1000Hz 之间）。
μCOS-II 是通过处理器产生的定时器的中断来实现多任务之间的调度的。在
ARM7TDMI 的处理器上可以产生定时器中断。
4． 处理器支持能够容纳一定量数据（可能是几千字节）的硬件堆栈。
5． 处理器有将堆栈指针和其他CPU 寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。
移植工作包括以下几个内容：
1． 用#define 设置一个常量的值（OS_CPU.H）。
2． 声明10 个数据类型（OS_CPU.H）。
3． 用#define 声明三个宏（OS_CPU.H）。
4． 用C 语言编写六个简单的函数（OS_CPU_C.C）。
5． 编写四个汇编语言函数（OS_CPU_A.ASM）。
μCOS-II 进行任务调度的时候，会把当前任务的CPU 寄存器存放到此任务的堆栈中，
然后，再从另一个任务的堆栈中恢复原来的工作寄存器，继续运行另一个任务。所以，寄存
器的入栈和出栈是μCOS-II 多任务调度的基础。
在移植过程中，INCLUDES.H 使得用户项目中的每个.C 文件不用分别去考虑它实际上
上需要那些头文件。使用INCLUDES.H 的唯一缺点是，它可能会包括一些实际不相关的头
文件。这意味着每个文件的编译时间可能会增加。但由于它增强了代码的可移植性，所以我
们还是决定使用这一方法。用户可以通过编辑INCLUDES.H 来增加自己的头文件，但用户
的头文件必须添加在头文件列表的最后。

uC/OS 硬件和软件体系结构
六、 实验步骤
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。
七、思考题
将UC/OS-II 操作系统移植到8051 单片机上（网上有成功实例可以参考）。