实时操作系统μC/OS-II在ARM7上的移植
时间：2020-12-13
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1 引言
目前，嵌入式系统在家电、移动电话、PDA等各种领域的应用日益广泛，程序设计也越来越复杂，这就需要采用一个通用的嵌入式操作系统来对其进行管理和控制。移植了操作系统的嵌入式系统开发，可大大减轻程序员的负担，操作系统提供了多任务的管理功能，只需专注于每个任务的管理。对于不同的应用，可以按照相同的步骤完成系统设计。如果更换硬件平台，则只需要对操作系统进行少量的移植工作，与硬件无关的应用代码完全无需修改，同时，可增强代码的可读性、可维护性和可扩展性。
µC/OS-II是一种专门为微处理器设计的抢占式实时多任务操作系统，具有源代码公开、可移植性和可靠性高等特点。由于µC/OS-II是为嵌入式应用编写的通用软件，故在具体应用时需根据不同单片机的特点进行移植，其大部分代码是用标准C语言所写，只有与处理器相关的一部分代码用汇编语言编写，因而具有很强的移植性，能在从8位到64位单片机以及DSP等超过40种不同构架的微处理器上实现运行。本文主要介绍µC/OS-II在Samsung公司的一款ARM7TDMI的嵌入式处理器S3C44B0X上移植应用。
要实现µC/OS-II在S3C44B0X的构建、裁剪和移植，需要有S3C44B0X的编译器，本文采用的是英蓓特公司推出的EmbestIDE for ARM编译器。
2 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的可行性分析
所谓移植，就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。要使µC/OS-II能够正常运行，处理器必须满足以下几个条件：
(1)处理器的C编译器能产生可重人代码；
(2)在程序中可以打开或者关闭中断；
(3)处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在l0~l000Hz之间)；
(4)处理器支持能够容纳一定量数据的硬件堆栈；
(5)处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器存储和读出到堆栈(或者内存)的指令。Samsung公司的S3C44BOX处理器能够满足以上的要求，所以可以将µC/OS-II移植到S3C44B0X上。
3 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的概要
µC/OS-II硬件和软件的体系结构如图1所示。从图中可以看出，对µC/OS-II的移植实际上就是对与处理器有关的代码进行重写或修改。本文中移植代码结构由四部分组成，分别是用户代码部分、核心代码部分、设置代码部分、与处理器相关的移植代码部分。用户代码即应用软件，用来实现用户的具体要求，例如本文中和PC机的串口通讯代码；核心代码部分, 包含OS_CORE.C、COS_FLAG.C、OS_MBOX.C、OS_MEME.C、OS_Q.C、OS_SEM.C、OS_TASK.C、OS_TIME.C、µC/OS-II.C、µC/OS-II.H 十个文件；设置代码部分，即µC/OS-II配置代码，包含OS_CFG.H、INCLUDES.H 两个文件，用来配置事件控制块的数目以及是否包含消息管理相关代码等；与处理器相关代码即µC/OS-II要移植的处理器配置代码，包含OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三个文件，在µC/OS-II的移植过程中，用户所需要关注的就是这部分文件。
4 µC/OS-II在S3C44B0X上移植代码分析
4.1 OS_CPU.H文件分析
OS_CPU.H包括用#define定义的与处理器有关的常量、宏和类型定义。
（1）定义与编译器相关的数据类型。
µC/OS-II为了保证可移植性，程序中没有直接使用int、unsigned int等定义，而是自己定义了一套数据类型，例如，INT8U表示8位无符号整型，INT16U表示16位无符号整型等。对于ARM这样的32位内核，INT16U是unsigned short型；若是16位的处理器，则是unsigned int型。不能使用bit型变量，把BOOLEAN型定义成unsigned char型。另外S3C44B0X数据宽度和堆栈宽度都是32位，分别将OS_STK和OS_CPU_SR定义成unsigned int型。
（2）义堆栈增长方向
在µC/OS-II中，用OS_STK_GROWTH来设置堆栈的增长方向，OS_STK_GROWTH为0表示堆栈从低地址向高地址增长；OS_STK_GROWTH为l表示堆栈从高地址向低地址增长，其宏定义为：
#define OS_STK_GROWTH l； //堆栈从高地址向低地址增长
#define OS_STK_GROWTH 0； //堆栈从低地址向高地址增长
（3）代码临界区
µC/OS-II在进入系统临界代码区之前需关中断，退出临界区后再开中断，则µC/OS-II能够保护临界区代码免受多任务或中断服务例程的破坏。在S3C44B0X中，通过设置状态寄存器CPSR中的中断禁止位来实现。µC/OS-II中的宏#define OS_ENTER_CRITICAL() IRQFIQDE定义将状态寄存器中的中断禁止位置位，以禁止所有的中断；#define OS_EXIT_CRITICAL() IRQFIQRE定义将状态寄存器的中断禁止位置零，以允许所有的中断。
(4) 定义OS_TASK_SW宏
OS_TASK_SW宏是µC/OS-II从低优先级任务切换到高优先级任务时的调度，可以采用下面两种方式定义：一种是如果处理器支持软中断，那么可以使用软中断将中断向量指向OSCtxSw函数；另一种是直接调用OSCtxSw函数。本文用的是后一种方式。
4.2 OS_CPU_A.ASM文件分析
(1) OSStartHighRdy()函数
OSStart()函数调用OSStartHighRdy()，使就绪态任务中优先级最高的任务开始执行。
其示意性代码如下：
Void OSStartHighRdy (void)
{
调用用户定义的OSTaskSwHook()；
OSRunning=TRUE；
得到将要恢复运行任务堆栈指针；
SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr；
从新任务堆栈中恢复处理器的所有寄存器；
执行中断返回指令；
}
(2) OSCtxSw函数
该函数由OS_TASK_SW宏调用。OS_TASK_SW宏由OSSched函数调用。OSSched函数负责任务之间的切换。OSCtxSw函数在OSSched函数中负责将当前任务对应的处理器寄存器保存到堆栈中，并将任务中需要恢复的处理器寄存器从堆栈中恢复出来。(3)OSIntCtxSw()函数
该函数由OSIntExit函数调用。OSIntExit函数由OSTickISR函数调用。OSIntCtxSW负责在定时中断任务之间的切换。目前提到的函数OSCtxSW和函数OSIntCtxSW均负责任务之间的切换，区别主要在于是否在定时中断期间负责任务切换。OSIntCtxSW函数主要当前任务堆栈指针，并将新任务对应的处理器寄存器从堆栈中恢复出来。
(4)OSTickISR()函数
时间节拍函数，由定时中断产生。主要负责在进入时保存处理器寄存器，完成任务时切换，推出时恢复寄存器并返回。OSTickISR()函数完成的操作和OSCtxSw()类似，只不过OSTickISR()是由硬件定时器溢出中断触发。其示意性代码如下：
Void OSTickISR (void)
{
保存处理器寄存器；
调用OSIntEnter()或者直接给OSIntNesting加1；
if(OSIntNesting==1){
OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;
给产生中断的设备清中断；}
OSTimeTick()；OSIntExit()；
恢复处理器寄存器；执行中断返回；
}
4.3 OS_CPU_C.C 文件分析
这个源文件中有6个函数需要移植，即OSTaskStkInit()、OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、OATaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTASKTickHook()。后面5个函数又称为钩子函数，主要用来扩展µC/OS-II功能。但必须声明，并不一定要包含任何代码。唯一必须移植的函数是OSTaskStkInit()。该函数在任务创建时被调用，它负责初始化任务的堆栈结构。这个函数在大部分ARM处理器中移植时都可以采用一种形式。
5 测试移植代码
在EmbestIDE编译器上编译基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系统代码。编译结果表明，裁剪后的µC/OS-II操作系统的代码占用的空间少，代码通过了编译。为了验证基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系统移植的是否成功，本文创建了两个测试任务来验证其合理性。
创建的2个测试任务及源码如下：
OSTaskCreate (TestTransplantA, (void *) 0, &TestTransplantAStk[StackSize-1], 2);
OSTaskCreate (TestTransplantB, (void *) 0, &TestTransplantBStk[StackSize-1], 3);
void TestTransplantA (void *pdata)
{ pdata=pdata;
while(1) {
uart_printf(TaskA );
OSTimeDly (400);
}
}
Void TestTransplantB (void *pdata) {
pdata=pdata;
while(1) {
uart_printf(TaskB );
OSTimeDly(200);
}
}
多任务调度开始后，通过超级终端接收的UART0的数据为：taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB ……。高优先级的任务TestTransplantA()首先被调度运行，说明OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函数是正确的。任务TestTransplantA()和任务TestTransplantB()由时钟节拍驱动而周期地被调用，说明OSCtxSw、OSIntCtxSw()、OSTickISR()也是正确的。通过以上两点可以认为移植结果是正确的。
6 结束语
在µC/OS-II平台下开发程序，首先要掌握内核。通过上述移植过程，能够对任务堆栈，任务调度有深刻理解。作为一种开放源代码的操作系统，以其优越的性能在嵌入式系统应用领域占据了非常广泛的发展空间。移植结果表明，经过裁剪的µC/OS-II在S3C44B0X上的移植是成功的。
参考文献
[1] S3C44BOX MICROPROCESSOR Datasheet．Samsung Electronics，2001.
[2] 田 泽. 嵌入式系统开发与应用教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3] 任 哲. 嵌入式实时操作系统µC/OS-II原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2005.
[4] 张春雷 王东兴. µC/OS-II在C8051F020单片机上的移植[J]. 微计算机信息, 2006, (22): 95-97.
[5] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社, 1999, 106-141.
目前，嵌入式系统在家电、移动电话、PDA等各种领域的应用日益广泛，程序设计也越来越复杂，这就需要采用一个通用的嵌入式操作系统来对其进行管理和控制。移植了操作系统的嵌入式系统开发，可大大减轻程序员的负担，操作系统提供了多任务的管理功能，只需专注于每个任务的管理。对于不同的应用，可以按照相同的步骤完成系统设计。如果更换硬件平台，则只需要对操作系统进行少量的移植工作，与硬件无关的应用代码完全无需修改，同时，可增强代码的可读性、可维护性和可扩展性。
µC/OS-II是一种专门为微处理器设计的抢占式实时多任务操作系统，具有源代码公开、可移植性和可靠性高等特点。由于µC/OS-II是为嵌入式应用编写的通用软件，故在具体应用时需根据不同单片机的特点进行移植，其大部分代码是用标准C语言所写，只有与处理器相关的一部分代码用汇编语言编写，因而具有很强的移植性，能在从8位到64位单片机以及DSP等超过40种不同构架的微处理器上实现运行。本文主要介绍µC/OS-II在Samsung公司的一款ARM7TDMI的嵌入式处理器S3C44B0X上移植应用。
要实现µC/OS-II在S3C44B0X的构建、裁剪和移植，需要有S3C44B0X的编译器，本文采用的是英蓓特公司推出的EmbestIDE for ARM编译器。
2 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的可行性分析
所谓移植，就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。要使µC/OS-II能够正常运行，处理器必须满足以下几个条件：
(1)处理器的C编译器能产生可重人代码；
(2)在程序中可以打开或者关闭中断；
(3)处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在l0~l000Hz之间)；
(4)处理器支持能够容纳一定量数据的硬件堆栈；
(5)处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器存储和读出到堆栈(或者内存)的指令。Samsung公司的S3C44BOX处理器能够满足以上的要求，所以可以将µC/OS-II移植到S3C44B0X上。
3 µC/OS-II在S3C44B0X上移植的概要
µC/OS-II硬件和软件的体系结构如图1所示。从图中可以看出，对µC/OS-II的移植实际上就是对与处理器有关的代码进行重写或修改。本文中移植代码结构由四部分组成，分别是用户代码部分、核心代码部分、设置代码部分、与处理器相关的移植代码部分。用户代码即应用软件，用来实现用户的具体要求，例如本文中和PC机的串口通讯代码；核心代码部分, 包含OS_CORE.C、COS_FLAG.C、OS_MBOX.C、OS_MEME.C、OS_Q.C、OS_SEM.C、OS_TASK.C、OS_TIME.C、µC/OS-II.C、µC/OS-II.H 十个文件；设置代码部分，即µC/OS-II配置代码，包含OS_CFG.H、INCLUDES.H 两个文件，用来配置事件控制块的数目以及是否包含消息管理相关代码等；与处理器相关代码即µC/OS-II要移植的处理器配置代码，包含OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三个文件，在µC/OS-II的移植过程中，用户所需要关注的就是这部分文件。
4 µC/OS-II在S3C44B0X上移植代码分析
4.1 OS_CPU.H文件分析
OS_CPU.H包括用#define定义的与处理器有关的常量、宏和类型定义。
（1）定义与编译器相关的数据类型。
µC/OS-II为了保证可移植性，程序中没有直接使用int、unsigned int等定义，而是自己定义了一套数据类型，例如，INT8U表示8位无符号整型，INT16U表示16位无符号整型等。对于ARM这样的32位内核，INT16U是unsigned short型；若是16位的处理器，则是unsigned int型。不能使用bit型变量，把BOOLEAN型定义成unsigned char型。另外S3C44B0X数据宽度和堆栈宽度都是32位，分别将OS_STK和OS_CPU_SR定义成unsigned int型。
（2）义堆栈增长方向
在µC/OS-II中，用OS_STK_GROWTH来设置堆栈的增长方向，OS_STK_GROWTH为0表示堆栈从低地址向高地址增长；OS_STK_GROWTH为l表示堆栈从高地址向低地址增长，其宏定义为：
#define OS_STK_GROWTH l； //堆栈从高地址向低地址增长
#define OS_STK_GROWTH 0； //堆栈从低地址向高地址增长
（3）代码临界区
µC/OS-II在进入系统临界代码区之前需关中断，退出临界区后再开中断，则µC/OS-II能够保护临界区代码免受多任务或中断服务例程的破坏。在S3C44B0X中，通过设置状态寄存器CPSR中的中断禁止位来实现。µC/OS-II中的宏#define OS_ENTER_CRITICAL() IRQFIQDE定义将状态寄存器中的中断禁止位置位，以禁止所有的中断；#define OS_EXIT_CRITICAL() IRQFIQRE定义将状态寄存器的中断禁止位置零，以允许所有的中断。
(4) 定义OS_TASK_SW宏
OS_TASK_SW宏是µC/OS-II从低优先级任务切换到高优先级任务时的调度，可以采用下面两种方式定义：一种是如果处理器支持软中断，那么可以使用软中断将中断向量指向OSCtxSw函数；另一种是直接调用OSCtxSw函数。本文用的是后一种方式。
4.2 OS_CPU_A.ASM文件分析
(1) OSStartHighRdy()函数
OSStart()函数调用OSStartHighRdy()，使就绪态任务中优先级最高的任务开始执行。
其示意性代码如下：
Void OSStartHighRdy (void)
{
调用用户定义的OSTaskSwHook()；
OSRunning=TRUE；
得到将要恢复运行任务堆栈指针；
SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr；
从新任务堆栈中恢复处理器的所有寄存器；
执行中断返回指令；
}
(2) OSCtxSw函数
该函数由OS_TASK_SW宏调用。OS_TASK_SW宏由OSSched函数调用。OSSched函数负责任务之间的切换。OSCtxSw函数在OSSched函数中负责将当前任务对应的处理器寄存器保存到堆栈中，并将任务中需要恢复的处理器寄存器从堆栈中恢复出来。(3)OSIntCtxSw()函数
该函数由OSIntExit函数调用。OSIntExit函数由OSTickISR函数调用。OSIntCtxSW负责在定时中断任务之间的切换。目前提到的函数OSCtxSW和函数OSIntCtxSW均负责任务之间的切换，区别主要在于是否在定时中断期间负责任务切换。OSIntCtxSW函数主要当前任务堆栈指针，并将新任务对应的处理器寄存器从堆栈中恢复出来。
(4)OSTickISR()函数
时间节拍函数，由定时中断产生。主要负责在进入时保存处理器寄存器，完成任务时切换，推出时恢复寄存器并返回。OSTickISR()函数完成的操作和OSCtxSw()类似，只不过OSTickISR()是由硬件定时器溢出中断触发。其示意性代码如下：
Void OSTickISR (void)
{
保存处理器寄存器；
调用OSIntEnter()或者直接给OSIntNesting加1；
if(OSIntNesting==1){
OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;
给产生中断的设备清中断；}
OSTimeTick()；OSIntExit()；
恢复处理器寄存器；执行中断返回；
}
4.3 OS_CPU_C.C 文件分析
这个源文件中有6个函数需要移植，即OSTaskStkInit()、OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、OATaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OSTASKTickHook()。后面5个函数又称为钩子函数，主要用来扩展µC/OS-II功能。但必须声明，并不一定要包含任何代码。唯一必须移植的函数是OSTaskStkInit()。该函数在任务创建时被调用，它负责初始化任务的堆栈结构。这个函数在大部分ARM处理器中移植时都可以采用一种形式。
5 测试移植代码
在EmbestIDE编译器上编译基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系统代码。编译结果表明，裁剪后的µC/OS-II操作系统的代码占用的空间少，代码通过了编译。为了验证基于S3C44B0X的µC/OS-II操作系统移植的是否成功，本文创建了两个测试任务来验证其合理性。
创建的2个测试任务及源码如下：
OSTaskCreate (TestTransplantA, (void *) 0, &TestTransplantAStk[StackSize-1], 2);
OSTaskCreate (TestTransplantB, (void *) 0, &TestTransplantBStk[StackSize-1], 3);
void TestTransplantA (void *pdata)
{ pdata=pdata;
while(1) {
uart_printf(TaskA );
OSTimeDly (400);
}
}
Void TestTransplantB (void *pdata) {
pdata=pdata;
while(1) {
uart_printf(TaskB );
OSTimeDly(200);
}
}
多任务调度开始后，通过超级终端接收的UART0的数据为：taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB taskA taskB taskB ……。高优先级的任务TestTransplantA()首先被调度运行，说明OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函数是正确的。任务TestTransplantA()和任务TestTransplantB()由时钟节拍驱动而周期地被调用，说明OSCtxSw、OSIntCtxSw()、OSTickISR()也是正确的。通过以上两点可以认为移植结果是正确的。
6 结束语
在µC/OS-II平台下开发程序，首先要掌握内核。通过上述移植过程，能够对任务堆栈，任务调度有深刻理解。作为一种开放源代码的操作系统，以其优越的性能在嵌入式系统应用领域占据了非常广泛的发展空间。移植结果表明，经过裁剪的µC/OS-II在S3C44B0X上的移植是成功的。
参考文献
[1] S3C44BOX MICROPROCESSOR Datasheet．Samsung Electronics，2001.
[2] 田 泽. 嵌入式系统开发与应用教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3] 任 哲. 嵌入式实时操作系统µC/OS-II原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2005.
[4] 张春雷 王东兴. µC/OS-II在C8051F020单片机上的移植[J]. 微计算机信息, 2006, (22): 95-97.
[5] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社, 1999, 106-141.