淺談III在S12X架構(gòu)上的移植分析 - 全文

S12X架構(gòu)是飛思卡爾公司推出的16位CPU，占有一定的單片機(jī)應(yīng)用市場。μC／OS—III是．MICrium公司推出的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，它的前身——μC／OS—II，由于源碼公開、實(shí)時(shí)性好、便于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，并被移植到了幾乎所有主流的CPU架構(gòu)上。但是到目前為止，μC／OS—III在S12X架構(gòu)上還沒有官方的移植版本。
? ? μC／OS-III相比μC／OS—II作了很大的改進(jìn)，整個(gè)內(nèi)核基本被重寫。任務(wù)的數(shù)量可無限多，只受限于系統(tǒng)存儲器的大??；由于支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，任務(wù)的優(yōu)先級可以相同；采用了延遲中斷處理機(jī)制(deferred post)，中斷服務(wù)所要訪問的全局變量數(shù)變得很少，使得大部分臨界代碼的保護(hù)只需要關(guān)閉調(diào)度器，而不需要關(guān)閉中斷，大大縮短了系統(tǒng)的中斷延遲；系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù)(tick handling)被移到了任務(wù)級執(zhí)行，進(jìn)一步縮短了中斷延遲；引入了時(shí)間戳的概念，用32位計(jì)數(shù)器為系統(tǒng)提供了精確的時(shí)標(biāo)，用來計(jì)算每個(gè)任務(wù)的CPU使用率、最長關(guān)中斷時(shí)間、最長關(guān)調(diào)度器時(shí)間等；提供了獨(dú)特的、豐富的運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，為更好地應(yīng)用μC／OS—III提供了有力的基礎(chǔ)。更深入地了解μC／OS—III內(nèi)核，讀者可以參見參考文獻(xiàn)。
? ? 總之，μC／OS—III是μC／OS—II的全面升級，具有更短的中斷延遲、更豐富的運(yùn)行時(shí)參數(shù)、更豐富的調(diào)試手段、更優(yōu)的代碼組織、更靈活的配置和使用等，但是，μC／OS—III對于硬件卻沒有更高的要求：對于ROM的需求，μC／OS—III為6～24 KB，μC／OS—II為6～26KB；對于RAM的需求二者均為1 KB左右，可見μC／OS—III同樣適合運(yùn)行在低端的8位、16位單片機(jī)上。由于繼承了μC／OS—II的優(yōu)點(diǎn)，μC／OS—III有了這么多新的優(yōu)秀特性，它應(yīng)該會得到更廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)地講述了μC／OS—III移植的方法和在S12X架構(gòu)上移植的具體步驟，希望能對在該方面有需求的讀者提供幫助。

1 μC／OS-III的移植方法

? ??如前所述，μC／OS—III對于硬件的要求并不比μC／OS—II高多少。事實(shí)上，只要滿足如下幾條，μC／OS—III就能夠被移植到該平臺上：
? ? ①處理器帶有支持標(biāo)準(zhǔn)C的工具鏈，并且需要支持32位數(shù)據(jù)。
? ? ②處理器支持中斷，并能夠提供10～1 000?Hz的周期中斷作為系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍源。
? ? ③中斷能夠被關(guān)閉和打開。
? ? ④處理器有棧指針寄存器，并且所有其他的寄存器能夠被存儲和恢復(fù)。
? ? ⑤處理器能夠支持足夠的尋址空間。
? ? 這幾個(gè)條件，現(xiàn)在的處理器架構(gòu)都能夠滿足，S12X顯然也滿足，所以μC／OS—III能夠移植到S12X架構(gòu)上。
? ? μC／OS—III的代碼組織非常利于移植，代碼按照模塊分層次地組織在一起。移植時(shí)需要改動的模塊和文件如表1所列。

2 μC／OS-III在S12X架構(gòu)上移植的步驟

2．1 第一步：建立合適的起點(diǎn)
? ??移植之前找一個(gè)合適的起點(diǎn)非常必要。這包括選擇已經(jīng)移植好的可運(yùn)行的版本、工具鏈和開發(fā)板。由于不存在飛思卡爾16位CPU的μC／? OS—III的移植版本，這里選擇K60移植版本。該移植版本的IAR示例工程可以從Micrium官方網(wǎng)站下載。工具鏈選擇CodeWarrior Development Studio for S12(X)V5．1(以下簡稱CW5．1)，開發(fā)板使用MC9S12XDP512的核心小板即可。K60的處理器基于Cortex—M4架構(gòu)，是32位CPU，與S12X 16位處理器存在很大的差異，所以表1中所列的文件基本需要全部重寫。
2．2 第二步：新建工程
? ??打開CW5．1，新建工程，選擇目標(biāo)為MC9S12XDP512，調(diào)試方式為TBDML，采用C語言開發(fā)，選擇小存儲模式(small memory model)，其余的選項(xiàng)按照默認(rèn)設(shè)置即可。MC9S12XDP512采用了分頁內(nèi)存機(jī)制，擴(kuò)展了16位CPU的64 KB尋址空間，它擁有512 KB的Flash，出于簡單考慮，移植的過程中忽略這種分頁機(jī)制，即所謂的小存儲模式，只使用默認(rèn)的64 KB的存儲空間。對于大多數(shù)的16位單片機(jī)應(yīng)用，這么大的存儲空間應(yīng)該夠用。μC／OS—III的設(shè)計(jì)并沒有固定代碼和數(shù)據(jù)的位置，也沒有固定中斷的設(shè)置方法，也沒有固定自己的啟動代碼，將這些都交給了工具鏈或者用戶。μC／OS—III代碼的運(yùn)行開始于main函數(shù)，對于之前的C語言環(huán)境初始化、硬件初始化沒有什么特殊的需求，對于自己的代碼和數(shù)據(jù)段的放置也沒有特別的要求，這應(yīng)該說是一種靈活性。中斷設(shè)置，需要在前述的prm文件中加入如下幾行：
? ? VECTOR 0_startup
? ? VECTOR 7OS_CPU_SysTickHandler
? ? VECTOR 4OSCtxSw
? ? 分別制定好用于任務(wù)切換的軟中斷和時(shí)鐘節(jié)拍的RTI中斷。
2．3 第三步：添加文件
? ??打開資源管理器，在工程目錄下新建表2所示目錄，并從官網(wǎng)上下載的IAR示例工程中拷貝相應(yīng)的文件。在CW5．1的工程中添加表2中新建的文件夾，并將上述拷貝的文件加入對應(yīng)的文件夾。接下來需要修改路徑設(shè)置：Edit->Standard Setting->Target->ACCess Paths，勾選Always Search Usei Paths。這樣，添加文件的環(huán)節(jié)算是完成了。

2．4 第四步：修改文件
? ??這一步是移植的關(guān)鍵，按照表2的總結(jié)，一共需要修改8個(gè)文件，接下來逐個(gè)說明。
? ? (1)os_cpu_a．a(chǎn)sm
? ? 該文件包含了OSStartHiglaRdy、OSCtxSw、OSINTCtxSw 三個(gè)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換的代碼片段，將這3個(gè)片段定義到一個(gè)代碼段，比如codesecti on2段，具體就是在文件開始處加上語句“codesection2：SECTION”即可。另外，μC／OS—III中這3個(gè)函數(shù)都是在臨界代碼段中訪問，故不需要考慮共享變量的問題。OSCtxSw的代碼如下：
? ??
? ??

該函數(shù)被設(shè)計(jì)成swi軟中斷的服務(wù)程序，所以1～2行代碼結(jié)合中斷響應(yīng)時(shí)的入棧操作完成了被換出任務(wù)的上下文的保存，3行調(diào)用介入函數(shù)，4～7行修改了記錄當(dāng)前任務(wù)TCB和優(yōu)先級的全局變量，8行將SP換成了換入任務(wù)的棧指針，9行執(zhí)行后CPU會裝載換入任務(wù)的上下文，從而完成了上下文切換。OSStartHighRdy和OSINTCtxSw的機(jī)制和OSCtxSw類似，代碼分別如下：

? ??

? ? 應(yīng)該注意到，這3個(gè)函數(shù)的功能僅僅是保存換出任務(wù)的上下文和裝載換入任務(wù)的上下文，之所以這么簡單，主要是因?yàn)镾12X的寄存器很少，中斷響應(yīng)和返回過程硬件都自動完成了所有寄存器的保存和恢復(fù)。這也從一個(gè)側(cè)面說明了為什么需要借助中斷完成任務(wù)切換的一個(gè)原因：借助中斷機(jī)制，可以高效簡潔地完成上下文切換。
? ? (2)os_cpu_c．c
? ? 這個(gè)文件里面至少需要修改兩個(gè)函數(shù)，即任務(wù)棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit和時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)程序OS_CPU_SysTICkHandler。遵照S12X中斷的棧結(jié)構(gòu)，OSTaskStkInit實(shí)現(xiàn)如下：
? ??

? ? 從棧頂?shù)綏５滓来螢镃CR、D、X、Y、PC，按照S12X的C語言參數(shù)傳遞規(guī)則，任務(wù)函數(shù)的傳入?yún)?shù)被保存在了D寄存器對應(yīng)的棧位置。

? ? 該宏保存被中斷任務(wù)的棧頂指針，在其TCB結(jié)構(gòu)中，之所以需要先遞增SP、保存SP、再遞減，是因?yàn)镃PU_SR_ALLOC()宏定義了一個(gè)局部變量，該變量處在任務(wù)棧上，但是不屬于上下文的一部分。
? ? 如果在該移植版本上寫中斷服務(wù)子程序，都需要寫成上述格式，μC／OS-III才能夠正常運(yùn)行。另外，需要將OSTaskSwHook函數(shù)單獨(dú)定義在os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中所定義的那個(gè)段中，這只需在該函數(shù)頭尾加上如下語句：
? ? #pragma CODE_SEG codesection2
? ? void OSTaskSwHook(void){
? ? ……
? ? }
? ? #pragma CODE_SEG DEFAULT
? ? 這是因?yàn)樵摵瘮?shù)被os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中的3個(gè)匯編函數(shù)以bsr指令調(diào)用，而bsr只能夠?qū)崿F(xiàn)-128～+127范圍的相對轉(zhuǎn)移，故這里只需要將他們放在同一段，即可完成跳轉(zhuǎn)。
? ? os_cpu．h為頭文件，需要定義上述OS_SAVE_SP()宏，其他的可以不更改，也可以刪除那些沒有被定義的聲明(如原來的pendSV的服務(wù)子程)，注意os_cpu_a．a(chǎn)sm是完全重寫，os_cpu_c．c只是修改上述兩個(gè)函數(shù)。
? ? (3)cpu．h
? ? 編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型定義，可以參考Edit->Standard Setting->Compiler for HC12->type sizes，默認(rèn)情況下char為8位，int和short為16位，long和long long為32位，該編譯器不支持64位。該處理器為大端模式、棧生長方向?yàn)檫f減，其余的設(shè)置都很容易改動，這里不一一贅述。

? ? (4)cpu_a．a(chǎn)sm
? ? 替代對應(yīng)的函數(shù)如下所示，其余的函數(shù)可以刪除(μC／OS—III沒有用到)：
? ??

? ? 這幾個(gè)函數(shù)完成相應(yīng)的使能中斷、關(guān)閉中斷、保存中斷狀態(tài)并關(guān)閉、恢復(fù)中斷狀態(tài)這4個(gè)功能，都比較簡單，這里不再贅述。
? ? cpu_c．c文件中的函數(shù)其實(shí)都可以刪了，當(dāng)然也可以保留，因?yàn)檫@里面原來是一些關(guān)于中斷向量操作、位帶操作指令，這些都是特定于Cortex—M3的，S12X并沒有位操作的對應(yīng)指令。
? ? 最后是bsp．c和bsp．h，簡單起見，bsp．c只定義了如下函數(shù)：
? ? void BSP Init(void){
? ??IRQCR=0x00；
? ? RTICTL=0x74；
? ? CRGINT|=0x80；
? ? }
? ? 這算得上是最簡單的“bsp包”了，僅僅設(shè)置并使能了RTI中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘中斷(當(dāng)然還關(guān)閉了IRQ中斷)。該函數(shù)需要在第一個(gè)運(yùn)行的用戶任務(wù)中調(diào)用，開始μC／OS—III的心跳。
? ? 至此，所有必要的文件修改工作已經(jīng)完成。
2．5 第五步：調(diào)試運(yùn)行
? ??經(jīng)過上述步驟，如果編譯、鏈接沒有什么問題，寫一個(gè)簡單的應(yīng)用，借助調(diào)試器就可以對基于μC／OS—III的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)試了。其實(shí)在移植的過程中，第四步的很多細(xì)節(jié)都是在第五步的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題并完善的。值得注意的是，由于MC9S12XDP512沒有32位的計(jì)數(shù)器，所以bsp．c里面也沒有初始化該計(jì)數(shù)器的代碼，也沒有提供系統(tǒng)所需的CPU_TS_TmrRd函數(shù)，所以以下幾個(gè)宏應(yīng)該配置如下：
? ? #defineOS_CFG_TS_EN 0u
? ? #define OS_CFG_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_EN 0u
? ? 不定義CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN宏，在這種配置下，系統(tǒng)所有依賴于時(shí)間戳的功能都被關(guān)閉。其余的μC／OS—III組件都可以使能。

結(jié)語

? ??使用CW5．1集成開發(fā)環(huán)境的讀者，只要按照以上步驟，即可在S12X系列單片機(jī)上完成μC／OS—III的移植和運(yùn)行。本文還融入了筆者對于μC／OS—III的理解，希望能夠幫助讀者理解和熟悉μC／OS-III的移植工作，進(jìn)一步加深對于該款優(yōu)秀實(shí)時(shí)內(nèi)核的理解。