實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在MPC555上的移植

μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務(wù)、移植性非常強(qiáng)的免費(fèi)微控制器嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，從１９９２年出現(xiàn)以來，已在照相機(jī)、發(fā)動機(jī)控制和工業(yè)機(jī)器人等多種領(lǐng)域中得到應(yīng)用。它一方面相對ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出來的ＥＯＳ更小巧且移植方便，實(shí)時(shí)性更好，更適合工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用；另一方面由于是免費(fèi)的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業(yè)實(shí)時(shí)ＥＯＳ大大節(jié)省成本，非常適用于開發(fā)實(shí)用簡約的嵌入式控制程序。

摩托羅拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ體系結(jié)構(gòu)上，采用ＲＩＳＣ技術(shù)的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內(nèi)嵌增加了浮點(diǎn)單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態(tài)ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內(nèi)Ｆｌａｓｈ、一個(gè)ＱＳＭＣＭ（串行通訊模塊）、兩個(gè)ＴｏｕＣＡＮ模塊、兩個(gè)ＴＰＵ、一個(gè)ＭＩＯＳ（模塊化Ｉ／Ｏ系統(tǒng)）、兩個(gè)ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達(dá)４０ＭＨｚ。另外芯片體積小，僅為２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有這些特性使其特別適用于汽車等現(xiàn)場控制領(lǐng)域的嵌入式微控制系統(tǒng)。

將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車用控制器上的應(yīng)用，其成果也可以用于其他嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５編譯調(diào)試環(huán)境。

１ 移植原理

μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)之間通信管理和內(nèi)存管理五方面功能。其結(jié)構(gòu)共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關(guān)的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個(gè)文件。該層完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、出入中斷的管理和任務(wù)切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時(shí)間管理、任務(wù)調(diào)度管理、任務(wù)間的通信管理和內(nèi)存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無關(guān)，它為用戶應(yīng)用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應(yīng)用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務(wù)兩個(gè)處理級別，用戶可以建立自己的任務(wù)，編寫必要的中斷子程，在任務(wù)之間或任務(wù)與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊(duì)列完成控制器軟件的編寫。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在移植過程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改動，使其完成系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、中斷管理和任務(wù)切換功能即可。

在前后臺系統(tǒng)中，提供一個(gè)ＣＰＵ堆棧。發(fā)生中斷時(shí)，將當(dāng)前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現(xiàn)場，執(zhí)行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復(fù)現(xiàn)場。

在多任務(wù)系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創(chuàng)建時(shí)，為每個(gè)任務(wù)建立并初始化一個(gè)堆棧。當(dāng)發(fā)生中斷或任務(wù)切換時(shí)，把當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行現(xiàn)場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務(wù)的堆棧中。當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要從就緒狀態(tài)激活到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務(wù)的堆棧中彈出。這樣，每個(gè)任務(wù)分時(shí)占用ＣＰＵ。而對各任務(wù)來說，每次進(jìn)入運(yùn)行態(tài)時(shí)，ＣＰＵ狀態(tài)都與上次從運(yùn)行態(tài)退出時(shí)完全一樣。所以不再是使用一個(gè)ＣＰＵ堆棧，而是多個(gè)任務(wù)將各自的運(yùn)行現(xiàn)場保存到自己的堆棧中。

圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖

    另外，調(diào)用Ｃ函數(shù)時(shí)也會使用到堆棧，此時(shí)編譯器會創(chuàng)建一個(gè)堆棧；在Ｃ函數(shù)返回時(shí)，將其釋放。其大小因Ｃ函數(shù)使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時(shí)，能夠正確創(chuàng)建、初始化、保存并恢復(fù)各個(gè)任務(wù)的堆棧，是確保ＯＳ任務(wù)切換和中斷管理順利完成的關(guān)鍵。

ＭＰＣ５５５有３２個(gè)３２ｂｉｔ通用定點(diǎn)數(shù)寄存器，３２個(gè)６４ｂｉｔ浮點(diǎn)數(shù)寄存器，另有９個(gè)控制／狀態(tài)寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如表１的堆棧結(jié)構(gòu)。每次任務(wù)環(huán)境入棧時(shí)創(chuàng)建一含７３個(gè)位置的堆棧，為了保證浮點(diǎn)數(shù)寄存器的完整，每個(gè)位置為６４ｂｉｔ寬。創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，建立該堆棧結(jié)構(gòu)，并用默認(rèn)值對其進(jìn)行初始化。在任務(wù)保存或激活時(shí)把寄存器的值保存到堆棧中相應(yīng)位置，或者從堆棧的相應(yīng)位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時(shí)，要注意控制好ＳＰ。

表1 堆棧結(jié)構(gòu)表

    注：堆棧所屬任務(wù)代碼入口地址

２ 中斷管理

首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中斷結(jié)構(gòu)。在ＭＰＣ中有新的概念——異常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出現(xiàn)，包括中斷、總線錯(cuò)誤、指令錯(cuò)誤、系統(tǒng)調(diào)用異常、實(shí)時(shí)中斷異常和復(fù)位等。ＭＰＣ為異常提供了異常向量表。該表為每個(gè)異常提供一個(gè)２５６字節(jié)的異常處理代碼空間。

所有外部中斷和Ｉ／Ｏ子模塊產(chǎn)生的中斷共同作為異常的一種，占用異常向量表中的一個(gè)位置。在該異常處理程序中，軟件需根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器的值判斷到底發(fā)生了哪個(gè)中斷并進(jìn)行相應(yīng)處理。

在每次發(fā)生異常時(shí)，ＭＰＣ自動將主狀態(tài)寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中，將程序指針ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；然后ＰＣ指針指向該異常在異常向量表中的起始位置，進(jìn)入異常處理程序。每次異常返回時(shí)，調(diào)用ｒｆｉ指令，系統(tǒng)自動將ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，將ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序從ＳＲＲ０指向的位置繼續(xù)執(zhí)行。在發(fā)生異常和異常返回之間，不自動允許新的異常和中斷。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允許異常，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候允許中斷。

μＣ／ＯＳ－ＩＩ的異常處理過程中，用戶及ＯＳ與硬件無關(guān)的代碼完成圖２中①、②、③、④、⑤這五個(gè)步驟。依次完成以下任務(wù)：①給ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１或調(diào)用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系統(tǒng)已進(jìn)入中斷；②分析中斷源調(diào)用相應(yīng)中斷處理子程；③在該中斷處理子程中完成清中斷源；④進(jìn)行其他中斷處理；⑤調(diào)用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判斷是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)被激活而需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，若不需要，則直接從中斷返回；若需要，則調(diào)用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中斷級任務(wù)調(diào)度。

移植中，為了在ＭＰＣ５５５上實(shí)現(xiàn)上述中斷處理過程，需編寫與硬件相關(guān)代碼，為以上思路提供三個(gè)接口函數(shù)：進(jìn)入中斷、退出中斷和中斷級任務(wù)調(diào)度。根據(jù)ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的完整中斷程序流程如圖２。虛框Ⅰ部分寫在異常向量表中每個(gè)異常的處理代碼空間中，依次調(diào)用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三個(gè)函數(shù)。

其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函數(shù)為①到⑤步中斷處理子程提供調(diào)用接口。

虛框Ⅱ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它將發(fā)生中斷時(shí)所有寄存器保存到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，并處理ＣＰＵ狀態(tài)。是ＯＳ進(jìn)入中斷的接口函數(shù)。

虛框Ⅲ中為與硬件相關(guān)的函數(shù)Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它從當(dāng)前任務(wù)（可能是中斷發(fā)生時(shí)的任務(wù)，也可能是新的被激活的任務(wù)）堆棧中恢復(fù)所有ＣＰＵ寄存器，并從中斷返回，是ＯＳ退出中斷的接口函數(shù)。

虛框Ⅳ中為與硬件和編譯器相關(guān)的函數(shù)ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當(dāng)前任務(wù)，完成中斷級任務(wù)調(diào)度，隨后調(diào)用Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）退出中斷，進(jìn)入新的被激活的任務(wù)。應(yīng)注意，在中斷級任務(wù)調(diào)度過程中，①、⑤兩處Ｃ函數(shù)被調(diào)用后不需要返回，所以需要將堆棧指針ＳＰ向下做適當(dāng)調(diào)整，以丟棄這兩個(gè)函數(shù)調(diào)用時(shí)編譯器產(chǎn)生的堆棧。Ｃ函數(shù)調(diào)用時(shí)，產(chǎn)生堆棧的大小與編譯器相關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)編譯器產(chǎn)生的代碼決定此處丟棄堆棧的大小。為保證異常時(shí)需要丟棄的堆棧大小不變，可使用圖２中的方法，在異常處理時(shí)另外調(diào)用函數(shù)完成步驟③、④，以確保不同異常處理過程中，①、⑤兩處Ｃ函數(shù)被調(diào)用時(shí)，編譯器建立的堆棧大小一致。

３ 任務(wù)切換

μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任務(wù)調(diào)度由函數(shù)ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６系統(tǒng)上，ＯＳＳｃｈｅｄ?穴?雪在獲得當(dāng)前新的最高優(yōu)先級的任務(wù)指針后，調(diào)用ＣＰＵ軟中斷完成任務(wù)切換。

在ＭＰＣ５５５上，可以用系統(tǒng)調(diào)用異常處理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替軟中斷。該異常處理程序如圖３所示，完成以下三個(gè)步驟：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中將當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行環(huán)境保存到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中；②調(diào)用任務(wù)級調(diào)度函數(shù)ＯＳＣｔｘＳｗ（），將新的高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)調(diào)整為當(dāng)前任務(wù)；③從新任務(wù)堆棧中彈出所有寄存器的值，恢復(fù)中斷，完成任務(wù)切換。其中①、③兩部分代碼與中斷管理程序相同，不需要重新編寫，只需編寫函數(shù)ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任務(wù)指針的切換工作。

任務(wù)切換過程不可以被打斷，所以，上述過程中始終不能打開中斷。

４ 時(shí)鐘管理

μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系統(tǒng)初始化后，開始一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，它是ＯＳ系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。該時(shí)鐘節(jié)拍一般由時(shí)間中斷產(chǎn)生。ＭＰＣ５５５中可產(chǎn)生時(shí)間節(jié)拍的模塊有很多，本次移植選用ＤＥＣ異常。因?yàn)樗c外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高ＯＳ的穩(wěn)定性。

ＤＥＣ時(shí)鐘同步于ＴＭＢＣＬＫ，其頻率可選，本次移植設(shè)置為２．５ＭＨｚ。代碼在時(shí)鐘初始化和每次進(jìn)入ＤＥＣ異常時(shí)，將ＤＥＣ計(jì)數(shù)器設(shè)置為２．５Ｍ／ＯＳ＿

ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，這樣，可使ＯＳ每秒種產(chǎn)生ＯＳ＿ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。

５ 應(yīng)用方法

在使用移植后的ＯＳ時(shí)，用戶需要編寫自己的主程序ｍａｉｎ（），其流程如圖４。在適當(dāng)?shù)某跏蓟蠹纯蓡樱希印?/FONT>

另外，用戶需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務(wù)中啟動時(shí)鐘節(jié)拍，調(diào)用ＯＳＳｔａｔＩｎｉｔ（）函數(shù)初始化統(tǒng)計(jì)任務(wù)，創(chuàng)建所需的其他任務(wù)，最后調(diào)用ＯＳＴａｓｋＤｅｌ（）函數(shù)刪除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務(wù)自己。ＯＳ在該函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，會自動允許異常和中斷，ＯＳ正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷調(diào)度任務(wù)，響應(yīng)中斷。