μCOS-II在ATmega128單片機上的移植和開發(fā) - 全文

　　本文介紹μC/OS-Ⅱ移植到ATMEL公司的8位微控制器ATmega128上的過程。所謂移植，就是使一個實時內(nèi)核可以在某個微處理器上運行，并在此基礎(chǔ)上進行驅(qū)動程序開發(fā)，使之成為一個實用的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)包括了硬件和軟件兩部分，由于系統(tǒng)硬件資源的限制和實際應(yīng)用的要求，應(yīng)用系統(tǒng)對軟件的基本要求是體積小，執(zhí)行速度快，具有較好的裁減性和可移植性。嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，通過在操作系統(tǒng)之上開發(fā)應(yīng)用軟件，可以屏蔽掉很多底層硬件細節(jié)，使得應(yīng)用程序調(diào)試方便，移植簡單，易維護，同時開發(fā)周期也短。多數(shù)實時操作系統(tǒng)為用戶提供一些標準的API函數(shù)，程序開發(fā)人員可以利用這些API函數(shù)進行應(yīng)用程序開發(fā)。但是現(xiàn)在商用型的實時操作系統(tǒng)價格非常昂貴，而免費型的實時操作系統(tǒng)μCOS-II作為一個源代碼公開的實時內(nèi)核已經(jīng)有了10余年使用實踐，許多行業(yè)都有成功應(yīng)用該內(nèi)核的實例。但由于μCOS-II只是一個實時內(nèi)核，它沒有像商用型實時操作系統(tǒng)那樣提供API函數(shù)接口，有很多工作需要用戶去完成，還需要根據(jù)實際應(yīng)用需要進行功能擴展，包括底層的硬件驅(qū)動、文件系統(tǒng)、用戶圖形接口等程序的編寫。

　　μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)簡介

　　μC/OS- II是著名的、源碼公開的實時內(nèi)核，可用于各類8位、16 位、32位單片機或DSP。μC/OS-II是一個完整、可移植、可固化、可裁減的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。它用ANSIC語言編寫，包含小部分與硬件有關(guān)的匯編代碼，使之便于移植，可以在不同架構(gòu)的微處理器上使用。到目前為止，該內(nèi)核已有10多年的應(yīng)用史，在醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)、通信等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 μC/OS-II內(nèi)核可以分為幾個獨立的部分，分別是任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理幾個獨立的部分，他的許多功能都是可配置的，這樣可以根據(jù)應(yīng)用的需要對操作系統(tǒng)進行裁減。μC/OS-II是占先式實時內(nèi)核，他總是運行在就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)，μC/OS-II總共可以管理64個任務(wù)，賦予每個任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，每個任務(wù)都有自己獨立的堆棧，可以壓低用戶程序?qū)?nèi)存的需求。全部μC/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行時間具有可確定性，它的系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。μC/OS-II中的任務(wù)可以是一個無限的循環(huán)，也可以在執(zhí)行完一次后被刪除掉，任務(wù)在休眠、就緒、運行、等待和掛起等幾個狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。μC/OS-II要求用戶提供定時中斷來實現(xiàn)延時和超時控制等功能，這個定時中斷稱為時鐘節(jié)拍，他的實際頻率由用戶的應(yīng)用程序決定，一般為10～100Hz 。節(jié)拍頻率越高，系統(tǒng)的負荷越重。μC/OS-II中有三種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱和消息隊列。一個任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序可以通過事件控制塊向另外的任務(wù)發(fā)信號;一個任務(wù)可以等待另一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號;或者是多個任務(wù)等待同一個信號的發(fā)生，在這種情況下，優(yōu)先級最高的任務(wù)將得到這一信號并進入就緒狀態(tài)準備執(zhí)行。

　　ATmega128微處理器的硬件特點

　　ATmega128 的MCU包括一個算術(shù)邏輯單元(ALU) ，一個狀態(tài)寄存器(SREG) ，一個通用工作寄存器組和一個堆棧指針。狀態(tài)寄存器(SREG) 的最高位I是全局中斷允許位。如果全局中斷允許位為零，則所有中斷都被禁止。當系統(tǒng)響應(yīng)一個中斷后，I位將由硬件自動清“0”;當執(zhí)行中斷返回 (RETI) 指令時，I位由硬件自動置“1”，從而允許系統(tǒng)再次響應(yīng)下一個中斷請求。通用工作寄存器組是由32個8位的通用工作寄存器組成。其中R26～R31這6 個寄存器還可以兩兩合并為3 個16位的間接地址寄存器，這些寄存器可以用來對數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間進行間接尋址的寄存器。堆棧指針(SP) 是一個指示堆棧頂部地址的16 位寄存器。ATmega128單片機的硬件堆棧的生長方向是向下的(從高地址向低地址生長) ，所以軟件堆棧在定義的時候，也要采取相同的生長方向。ATmega128單片機的數(shù)據(jù)存儲器是線形的，從低地址到高地址依次是CPU寄存器區(qū)(32個通用寄存器) ，I/O寄存器區(qū)，數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

　　ATmega128的中斷響應(yīng)機制

　　ATmega128 有34個不同的中斷源，每個中斷源和系統(tǒng)復(fù)位在程序存儲空間都有一個獨立的中斷向量(中斷入口地址) 。每個中斷源都有各自獨立的中斷允許控制位，當某個中斷源的中斷允許控制位為“1”且全局中斷允許位I也為“1”時，系統(tǒng)才響應(yīng)該中斷。當系統(tǒng)響應(yīng)一個中斷請求后，會自動將全局中斷允許位I清零，此時，后續(xù)中斷響應(yīng)被屏蔽。當系統(tǒng)執(zhí)行中斷返回指令RETI時，會將全局中斷允許位I置“1”，以允許響應(yīng)下一個中斷。若用戶想實現(xiàn)中斷嵌套，必須在中斷服務(wù)子程序中將全局中斷允許位I置“1”。在中斷向量表中，處于低地址的中斷具有高的優(yōu)先級。優(yōu)先級高只是表明在多個中斷同時發(fā)生的時候，系統(tǒng)先響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷，并不含有高優(yōu)先級的中斷能打斷低優(yōu)先級的中斷處理工作的意思。由于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)切換實際上是模擬一次中斷，因此需要知道CPU的中斷響應(yīng)機制。中斷發(fā)生時，ATmega128按以下步驟順序執(zhí)行：

　　(1) 全局中斷允許位I清零。

　　(2) 將指向下一條指令的PC值壓入堆棧，同時堆棧指針SP減2。

　　(3) 選擇最高優(yōu)先級的中斷向量裝入PC，程序從此地址繼續(xù)執(zhí)行中斷處理。

　　(4) 當執(zhí)行中斷處理時，中斷源的中斷允許控制位清零。中斷結(jié)束后，執(zhí)行RETI指令，此時：

　?、偃种袛嘣试S位I置“1”。

　?、?PC從堆棧推出，程序從被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行。特別要注意的是：ATmega128A單片機在響應(yīng)中斷及從中斷返回時，并不會對狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器自動進行保存和恢復(fù)操作，因此，對狀態(tài)寄存器SREG 和通用寄存器的中斷保護工作必須由用戶來完成。

　　ATmega128的定時器中斷

　　ATmega128 有三個定時器：T0，T1，T2，可以為μCOS-II提供精確的時鐘源。ATmega128的三個定時器都有計數(shù)溢出中斷功能，而且T1和T2還有匹配比較中斷，即定時器計數(shù)到設(shè)定的值時，產(chǎn)生中斷并自動清零。若系統(tǒng)采用這種中斷方式，其好處是在中斷服務(wù)程序ISR中不需要重新裝載定時器的值。

　　將μCOS-II移植到ATmega128單片機上

　　移植就是使一個實時內(nèi)核能在ATmega128上運行。μCOS-II大部分的代碼是用ANSIC編寫的，因此移植性很好。但是對不同的微處理器，仍然需要使用C和匯編語言來編寫其中與處理器相關(guān)的代碼，寄存器的讀、寫只能通過匯編語言的存儲和加載指令來實現(xiàn)。要使μCOS-II能夠正常工作，處理器必須滿足以下要求：

　?、偬幚砥鞯腃編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;可重入代碼是指可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必擔(dān)心其數(shù)據(jù)會被破壞的代碼?？芍厝氪a任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以重新運行，而相應(yīng)的數(shù)據(jù)不會丟失，不可重入代碼則不行。本文所使用ImageCrafT公司的ICCAVRV6. 30編譯器能產(chǎn)生可重入代碼;

　?、谟肅語言可以打開和關(guān)閉中斷，本文所使用的ICCAVRV6. 30編譯器支持在C語言中內(nèi)嵌匯編語句且提供專門開關(guān)中斷的宏：CLI() 和SEI() 。這樣，使得在C語言中開關(guān)中斷非常方便;

　?、厶幚砥髦С种袛?，并且能夠產(chǎn)生定時中斷(通常在10-100Hz 之間) ，ATmega128，有3 個定時器，能產(chǎn)生μC/OS-Ⅱ所需的定時中斷;

　　④ 處理器能夠支持容納一定數(shù)量的硬件堆棧，ATmega128有4KRAM，硬件堆?？梢蚤_辟在這4KRAM中;

　?、萏幚砥饔袑⒍褩Ｖ羔樅推渌拇嫫髯x取和存儲到堆?；騼?nèi)存的指令，一般的單片機都滿足這個要求(如PUSH、POP指令) ，且ATmega128還具有直接訪問I/O寄存器的指令( IN、OUT等) 。

　　移植的實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ的移植工作包括以下幾個內(nèi)容：

　　(1) 用Typedef聲明與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型(在OS-CPU. H文件中) ，由于不同的微處理器有不同的字長，在μC/OS-Ⅱ代碼中不能使用C語言的shORT、inT、lOng 等數(shù)據(jù)類型，而采用INT8U、INT16U、INT32U等直觀又可移植的數(shù)據(jù)類型來代換相應(yīng)數(shù)據(jù)類型。

　　(2) 用# definE設(shè)置一個常量OS-STK-GROWTH的值(OS-CPU. H) ，決定堆棧的生長方向，置0表示堆棧從下往上生長，置1表示堆棧從上往下生長。

　　(3) # definE聲明三個宏(OS-CPU. H) 。即進入臨界代碼段(criTicaLcOdEsecTiOn) 的方法OS-CRITICAL-METHOD定義為3 ，在宏OS-ENTER-CRITICAL() 中得到當前處理器狀態(tài)字的值，并將其保存在C函數(shù)的局部變量中，這個變量在宏OS-EXIT-CRITICAL( ) 中用于恢復(fù)PSW。宏OS-TASK-SW() 是在內(nèi)核從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時用到的，它總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用。在ATMEGA128上移植，直接調(diào)用OSCTxSw () 任務(wù)切換函數(shù)就可以了。

　　(4) 用C語言編寫十個簡單的函數(shù)(OS-CPU-C. C) ，OS2TAskSTKIniT() ;OSIniTHoOkBegiN() ;OSIniTHoOKEnd () ; OSTAskCreaTeHoOK( ) ;OSTAskDelHoOK( ) ;OSTAskSw HoOK();OSTAskSTaTHoOK() ;OSTimETickHoOk () ;OSTCB IniTHoOK() ;OSTAsKIdleHoOK() ;實際需要修改的只有OSTAskSTKIniT() 函數(shù)，其它九個函數(shù)都是由用戶定義的。如果用戶需要使用這九個函數(shù)，可將文件OS-CFG. H中的# definEcOnsTAnTOS-CPU-HOOKS-EN設(shè)為1，設(shè)為0表示不使用這些函數(shù)。函數(shù)OSTAskSTKIniT( ) 是由OSTAskCreaTE() 或OSTAskCreaTEExT() 調(diào)用，用來初始化任務(wù)堆棧的。經(jīng)初始化后的任務(wù)堆棧應(yīng)該跟發(fā)生過一次中斷后任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)一樣。由前敘述可知，ATmega128在發(fā)生中斷后，自動保存了程序計數(shù)器PC。為了保存全部現(xiàn)場，還需要保存狀態(tài)寄存器SREG ，R0～R31這32個通用寄存器及SP的值。

　　(5) 編寫四個匯編語言函數(shù)(OS-CPU-A. S) ，OSSTARTHighRdy () 使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行;OSCTxSw () 完成將處理器的寄存器保存到堆棧中的任務(wù)后，將任務(wù)指針指向要恢復(fù)運行的任務(wù)，復(fù)制新任務(wù)的優(yōu)先級，得到新任務(wù)的堆棧指針，恢復(fù)將運行任務(wù)的寄存器;OSIntC2TxSw () 完成在ISR中執(zhí)行任務(wù)的切換;OSTicKISR() 提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍服務(wù);這些函數(shù)涉及到出棧和入棧操作，因此需要用匯編語言編寫。做完以上工作，就是測試內(nèi)核的移植是否正確。測試一個實時內(nèi)核，可以運行一些簡單的任務(wù)和時鐘節(jié)拍中斷任務(wù)，一旦調(diào)試成功就可以在上面擴展功能。

　　硬件驅(qū)動程序的編寫

　　μCOS-II移植完成以后，就要在實時內(nèi)核之上編寫外設(shè)驅(qū)動程序。外設(shè)驅(qū)動程序可以提供訪問外圍設(shè)備的接口，把操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備硬件分離開來，當外設(shè)改變時，只需修改設(shè)備驅(qū)動程序，不影響操作系統(tǒng)內(nèi)核。外設(shè)驅(qū)動程序主要完成以下功能：

　　(1) 對設(shè)備初始化和釋放;

　　(2) 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);

　　(3) 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù);

　　(4) 檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。對于擴展相應(yīng)的API函數(shù)，不同的應(yīng)用有不同的要求，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)和實際應(yīng)用，編寫操作系統(tǒng)的API函數(shù)?；讦藽OS- II進行擴展的RTOS的總體結(jié)構(gòu)。在內(nèi)核上開發(fā)應(yīng)用，在把內(nèi)核移植到自己的硬件目標板上后，在實時內(nèi)核的基礎(chǔ)上寫出相應(yīng)的驅(qū)動程序、內(nèi)存操作等API函數(shù)，建立實時操作系統(tǒng)，最后利用這些API函數(shù)編寫用戶自己的應(yīng)用程序，就構(gòu)成了嵌入式系統(tǒng)軟件。而應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，根據(jù)具體應(yīng)用要求，其功能有多個任務(wù)完成，每個任務(wù)可以調(diào)用API函數(shù)，也可以調(diào)用與處理器無關(guān)的代碼提供的系統(tǒng)服務(wù)。

　　總 結(jié)

　　采用μCOS-II內(nèi)核開發(fā)的RTOS具有良好的實時性，可裁剪性，應(yīng)用它可以使產(chǎn)品更可靠，功能更強大，開發(fā)周期更短。該系統(tǒng)目前已在我院開發(fā)的護理用體態(tài)語言機上成功應(yīng)用。