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- UID
- 1029342
- 性别
- 男
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| 1 RTOS简介随着电子产品和设备的应用的复杂化和智能化，原来在电子产品中占统治地位的单片机和较简单的程序结构已经难以满足要求。加之微处理器芯片本身性能的大幅提高，对软件的要求也随之提高，而实时操作系统（RealTime Operation System，以下简称为RTOS）很好满足了这些需求。RTOS以其较好的实时性、较少的硬件资源以及强大的任务管理、资源管理等功能，在嵌入式产品的应用领域日趋广阔。RTOS同时体现了一种新的系统设计思想和开放的软件开发框架，开发者在无需过多考虑和更改系统其他任务的情况下可以集中精力设计应用任务模块，缩短了研发周期和对单个开发者的依赖。因此RTOS的应用是嵌入式软件设计编写中从小规模设计到团队开发的一个必然选择。礐/OS-II(MicroC/OS-II)是一个可以基于ROM运行的、源码开放的、可裁减的、抢占式实时多任务内核，内核的设计者在编写时尽最大限度采用ANSIC语言，并充分考虑了可移植性，因此，礐/OS-II已经移植到数十种处理器上，且已成功应用于从消费电子产品到航空设备的领域中。2 ARM7系列处理器简介 依靠ARM公司提供的优秀的ARM7内核，其合作伙伴根据市场需要和技术发展趋势生产出各具特色的芯片。ARM7系列处理器可具有16位/32位双RISC指令集、片内高速cache、三级流水线、片上JTAG调试、高速内存管理（MMU）等功能，支持大多数操作系统，在中低端16/32位嵌入式产品解决方案中应用十分广泛。比较有代表性的S3C44B0x是三星公司开发的基于ARM7内核的32位微处理器，除了具备ARM7系列处理器的低功耗，高性能，小体积等优点外，且价格低廉。ARM7系列处理器结构支持7种处理模式，方便用户管理某些需要保护的硬件资源，处理器模式见表1。除用户模式外，其他模式均可自由的访问系统所有资源并改变处理器工作模式，称为特权模式，而特权模式中除系统模式(sys)外，也被称为异常模式。在用户模式下，用户任务可以通过软中断指令，进入异常模式，来访问需要的资源。礐/OS-Ⅱ移植与ARM7处理器上时，一个难点就在于处理器模式切换时对另一工作模式下现场的保存和恢复，本文分析了任务切换时不使用软中断而直接在svc模式下运行操作系统和用户任务的移植方法，可以较简洁易懂地实现。表1 ARM7 处理器模式处理器模式 说明用户 usr正常用户程序执行模式快速中断 fiq高速数据传送及DMA通道处理模式通用中断irq 通用中断处理模式管理 svc操作系统保护模式中止abt 存储器保护或实现虚拟存储器未定义und支持硬件协处理器的软件仿真系统 sys 供需访问系统资源的任务使用 3礐/OS-Ⅱ在ARM7处理器上的移植 3.1移植的要求要使礐/OS-Ⅱ正常运行于某处理器上，须满足以下要求：1）处理器的C编译器能产生可重入代码；2）可以在C语言代码中打开和关闭中断；3）处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)；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它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。笔者针对目前应用较广泛的基于ARM7内核的S3C44B0x处理器，在ARM公司的IDE开发环境ADS1.2中完成了礐/OS-Ⅱ的移植，并编写了应用任务实现多任务的调度。3.2 移植过程基于礐/OS-Ⅱ的硬/软件体系结构如下图1。 图1礐/OS-Ⅱ硬件/软件体系结构礐/OS-Ⅱ的移植集中在OS_CPU.h,OS_CPU_A.s,OS_CPU.c这三个文件上，下面分别详细介绍三个文件中的函数和需要修改或者编写的代码。3.2.1OS_CPU.h的移植该文件定义了和处理器及编译器相关的定义及一些全局函数声明。由于ARM7处理器字长为32位，半字长为16位，字节为8位，因此在OS_CPU.h文件修改与编译器相关的定义如下：typedef unsigned char BOOLEAN; typedef unsigned char INT8U; typedefsigned char INT8S; typedef unsigned short INT16U;/*某些编译器中int是32位的，故统一用short表示*/ typedef signed shortINT16S; typedef unsigned long INT32U; typedef signed long INT32S;typedef float FP32; typedef double FP64; typedef unsigned longOS_STK; /*堆栈宽度为32位，即ARM7种的字对齐方式*//*下面是与处理器相关的代码*/ #define OS_CRITICAL_METHOD 2/*使用方式2保护临界代码*/ #define OS_ENTER_CRITICAL()ARMDisableInt() /*临界段代码保护宏定义*/ #define OS_EXIT_CRITICAL()ARMEnableInt() #define OS_STK_GROWTH 1 /*定义堆栈生长方向为向下生长*/ #define OS_TASK_SW OSCtxSw /*宏定义，用于非中断级的任务切换*//*下面开始声明全局函数声明，均是OS_CPU_A.S中需要编写的函数*/ externvoid OSCtxSw(void); /*声明任务级任务切换函数*/ extern voidOSIntCtxSw(void); /*声明中断级任务切换函数*/ extern voidARMDisableInt(void); /*声明中断禁止函数*/ extern voidARMEnableInt(void); /*声明中断恢复函数*/ extern voidOSTickISR(void); /*声明时钟中断服务函数*/ 3.2.2 OS_CPU_C.C文件移植OS_CPU_C.C文件时，需要编写的是任务堆栈初始化函数OSTaskStkInit和时钟节拍中断服务钩子函数OSTimeTickHook。在礐/OS-II中，每一个任务都有自己的任务堆栈，当发生任务切换或者中断时，其CPU使用权被剥脱，为了任务能被再次运行，那么这个被打断的任务所用到的处理器的寄存器内容均应得到保存，按照ARM7处理器的压栈和入栈指令的特点，设计任务堆栈如下图2： CPSR R0 R1 ……R12 LR（R14） PC（R15） 图2任务堆栈的结构根据任务堆栈结构示意图，OS_STK函数编写如下： #defineSVCMODE 0x13 /*定义svc模式的命令字，用户任务运行在svc模式下*/OS_STK * OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK*ptos, INT16U opt){ OS_STK *stk; /*定义堆栈指针*/ opt = opt; stk =(OS_STK) ptos; /*保存任务堆栈栈顶指针*/ *--stk = (OS_STK) task; /*用来保存PC，初始化成任务入口地址在被保护存现场的则是该任务运行时被中断时的地址*/*--stk = (OS_STK) task; /* 用来保存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 = (INT32U) pdata;/* 在ARM的编译建议中，r0用于参数传递 */ *--stk = (SVC32MODE|0x40);/*用来保存CPSR，并禁止FIQ，由于任务和操作系统均运行在svc模式，被中断到其他模式再返回后仍然回到svc模式，故SPSR没有用到*/return ((OS_STK *)stk); /*返回任务堆栈的指针*/ }说明：用户创建任务时，OSTaskCreat（）会调用OSTaskStkInit函数初始化该任务的堆栈，并把返回的堆栈指针保存到该任务的TCB结构中的最前面的参数OSTCBStkPtr中，当该任务要被恢复时，任务切换函数从其TCB块中取得其任务堆栈指针，依次将堆栈内容弹到处理器对应的CPSR、r0，r1，…，r12，lr，pc的寄存器中，完成现场的恢复和程序指针PC的返回。另一个需要编写的函数是OSTimeTickHook，该函数被时钟节拍中断服务函数OSTickISR中的OSTimeTick函数调用，用来清除时钟节拍中断发生设备的请求。本移植方案使用S3C44B0X处理器的RTC模块的tick中断作为时钟节拍中断，该函数编写如下：void OSTimeTickHook（void）{ rI_ISPC =((INT32U)0x01) <<20;/*清RTC模块的tick中断*/ }注意：用户也可不修改此函数，但是必须在OSTickISR中执行清除发生节拍中断的设备的中断请求标志，为便于说明，本文将利用内核提供给用户的OSTimeTickHook函数来完成清中断的任务。另外几个hook函数不必去改它们。至此，OS_CPU.C编写完成。3.2.3OS_CPU_A.S文件的移植该文件是移植过程中唯一需要用汇编语言来实现的文件，也是移植的重点和难点所在。在这个文件里，需要编写的函数有OSStartHighRdy，OSCtxSW，OSIntCtxSW，OSTickISR，ARMDisableInt，ARMEnableInt几个。下面先结合us/os的任务切换的过程分析一下这几个函数的作用。1）OSStartHighRdy()函数当程序执行内核的OSStart函数时，表示多任务系统开始启动，OSStart函数将调用OSStartHighRdy函数从最高优先级任务的TCB块中获得该任务的堆栈指针，通过该指针，依次从该任务的任务堆栈中恢复CPU的现场。由于任务在堆栈初始化时，已经设定了弹出到程序指针寄存器PC的是该任务函数的入口地址，因此，OSStartHighRdy函数只需依次弹出任务栈内容到处理起寄存器，该任务便将得以运行。2）OSCtxSw（）函数该函数是任务级的上下文切换函数，当任务被阻塞而主动请求CPU开始任务调度时执行，其过程是将当前任务的的CPU现场保存到该任务堆栈中去，然后从OSTCBHighRdy中获得更高优先级任务的堆栈指针，再从该指针指向的堆栈中恢复此任务的CPU现场，使之继续执行，从而完成一次任务级别的切换。表2为OSCtxSw函数的伪代码。void OSCtxSw(void) {保存处理器寄存器;/*将欲挂起的任务的CPU寄存器压入当前堆栈*/OSTCBCur->OSTCBStkPtr = sp;/*OSTCBCur目前指向的是被打断的任务TCB，此操作将该任务的栈顶指针保存到其OSTCBStkPtr中去，便于下次恢复时从这里获取栈顶指针*/OSTCBCur = OSTCBHighRdy; /*OSTCBHighRdy指向的是就绪的高优先级任务的TCB， 将其装载到OSTCBCur 中来*/ SP =OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr; /*取得就绪的高优先级任务的栈顶指针*/恢复该任务的现场(); /*于是便可通过刚取得的栈顶指针恢复该任务 */执行中断返回指令;/*若OSCtxSw含有软中断指令则需中断返回，本移植不使用软中断*/ } 表2OSCtxSw函数的伪代码 3） OSIntCtxSw()函数该函数用于中断级的上下文切换。由于CPU响应时钟节拍中断后，处理器从svc进入了irq模式，并进入时钟节拍中断服务函数OSTickISR，OSTickISR函数发现若有高优先级任务需要运行，则系统不返回中断前的任务，而直接调度就绪的高优先级任务使之尽快得到执行，以保证实时性能。但是由于OSTickISR函数一开始已经保存过任务中断前的CPU现场，因此OSIntCtxSW()不需要再进行类似的操作。当OSTickISR调用OSIntExit函数找出需要运行的更高优先级任务后，OSIntExit会将该任务的TCB指针放在OSTCBHighRdy中，然后OSIntExit在最后调用OSIntCtxSW函数来从OSTCBHighRdy中获取堆栈指针然后恢复该高优先级任务的现场，使得其继续执行，并不再返回时钟节拍中断服务程序。显然，OSIntCtxSW函数的过程和OSCtxSW函数的后半部分操作相同，因此，OSCtxSW可以借用OSIntCtxSW的代码。4）OSTickISR（）函数在CPU响应时钟节拍中断后，程序指针PC发生跳转后进入该函数，由于OSTickISR调用OSTimeTick函数使得所有的延时节拍不为0的任务延时节拍数减1，并调用OSIntExit函数来找出就绪的高优先级任务，若需要切换，则最后由OSIntCtxSw来完成新任务的调度，否则仍然返回到被时钟节拍中断的任务。OSTickISR函数的伪码和注释见表3。5） ARMDisableInt和ARMEnableInt函数ARMDisableInt是用来暂时禁止FIQ及IRQ中断的函数，ARMEnableInt则是恢复ARMDisableInt执行前的中断使能状态，二者成对使用，用来保护临界段代码不被中断破坏。本移植使用方式2，即在进入临界段代码前关中断，完成后恢复先前的中断使能状态。void OSTickISR(void) {保存处理器寄存器;/*注意在irq模式下保存CPSR_svc时，要先强制切换到svc模式*/调用OSIntEnter(); /* 防止在嵌套的中断中发生调度 */给产生中断的设备清中断;/*本操作已由OSTimeTick中的OSTimeTickHook函数完成*/调用OSTimeTick(); /*将所有任务不为0的延时节拍数减1*/调用OSIntExit();/*检索就绪任务，并将需要调度的高优先级任务的堆栈指针存到OSTCBHighRdy中去，然后调用OSIntCtxSW恢复该任务的现场*/恢复处理器寄存器; 执行中断返回指令;/*若没有中断级任务切换，则返回到中断前的任务*/ } 表3OSTickTime函数的伪码下面给出OS_CPU_A.S的全部内容和注释。 ;*****OS_CPU_A.S文件汇编代码开始***** AREA |subr|, CODE, READONLY;声明为代码段 ;***** OSStartHighRdy代码开始***** EXPORTOSStartHighRdy ;关键词EXPORT表示声明此函数被其他文件使用，下同IMPORT OSTaskSwHook |
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