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μC/OS-II在凌阳单片机SPCE061A上的移植

以凌阳单片机为例详细介绍μC/OS-II的移植方法;重点讲解在系统移植过程中一些难以理解的概念,并首次实现了μC/OS-II在凌阳SPCE061A单片机上的移植。

目前,实时操作系统已广泛应用于工业控制的各个领域。μC/OS-II作为一个实时内核,由于其源码公开、代码规范,广受开发人员的喜爱。SPCE061A是凌阳公司继μ’nSPTM系列产品SPCE500A等之后新推出的一款16位单片机,内部集成A/D、D/A等多种接口电路,能很方便地嵌入工业控制的各种场合。更重要的是,其内嵌2K字的SRAM和32K的Flash ROM,因此,在不需要扩展外部存储器的情况下就可以实现μC/OS-II系统的移植。

1 μC/OS-II实时操作系统介绍

μC/OS-II是一种专门为微控制器设计的抢占式实时多任务操作系统,它以源代码的形式给出。其内核主要提供进程管理、时间管理、内存管理等服务。系统最多支持56个任务,每个任务均有一个独有的优先级。由于其内核为抢先式,所以总是处于运行态最高优先级的任务占用CPU。系统提供了丰富的API函数,实现进程之间的通信以及进程状态的转化。

2 μC/OS-II系统结构分析与移植

μC/OS-II的软件体系结构如图1所示。从图1中可以看到,如果要使用μC/OS-II, 必须为其编写OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三个文件。这三个文件是与芯片的硬件特性有关的,它们主要提供任务切换与系统时钟的功能。其它文件用C写成,它们为系统提供任务管理、任务之间通信、时间管理以及内存管理等功能。

众所周知,μC/OS-II是一个多任务操作系统。既然是多任务,就需要解决任务切换的问题。任务切换是在进行系统移植过程需要解决的最主要的问题。由于任务切换涉及到对芯片寄存器的操作,所以它主要用汇编语言写成,因此,对于不同的单片机,其任务切换的代码是不同的;但是只要理解其原理,就能举一反三,以不变应万变。下文将重点讲解任务切换的原理。多任务系统在运行时每个任务好像独立占用CPU一样,因此系统必须为每个任务开辟一块内存空间作为该任务的任务堆栈。该堆栈的作用是保存任务被切换前时CPU各寄存器的值以及系统堆栈的数据。根据以上讨论,可总结出在进行任务切换时需要完成的工作,主要步骤如下:

① 将当前任务CPU所有的寄存器压栈;

② 将CPU系统堆栈的数据全部拷贝到当前任务的任务堆栈中;

③ 得到下一个处于运行态优先级最高的任务的任务堆栈的指针;

④ 恢复下一个任务的CPU寄存器的值;

⑤ 恢复下一个任务的系统堆栈中的数据;

⑥ 通过中断返回指令或函数返回指令,间接修改PC寄存器的值来进行任务切换。

在为μCOS-II编写任务切换代码时需要注意的是:μCOS-II在每次发生中断后都会产生任务调度,但在中断结束后进行的任务切换,不能调用普通任务切换函数,这是因为在中断过程中往往伴随将CPU的状态寄存器压栈操作。以凌阳单片机为例,在中断后,芯片将PC和SR寄存器的值压入堆栈,因此,在中断结束后进行的任务切换中必须对堆栈指针进行调整。

在系统移植过程中另一个较为重要的部分是系统时钟。μCOS-II要求系统能产生10~100Hz的时钟节拍。该时钟节拍由硬件定时器产生。仍以凌阳单片机为例,可选用时基信号TMB2产生128Hz中断,作为系统时钟节拍的产生源。系统时钟中断服务子程序用汇编语言写成,由于其主要功能在用C编写的子函数中实现,因此,编写该服务子程序的难度不大。

3 μC/OS-II BSP代码的编写

BSP(板级支持包)是介于底层硬件和操作系统之间的软件层,它对底层硬件进行封装,使得操作系统不再面对具体的硬件。我们以凌阳SPACE061A单片机为例介绍BSP代码的编写。

3.1 任务切换

凌阳SPACE061A单片机有R1~R5 五个通用寄存器,还有1个SR(CPU状态寄存器),再加上PC,总共有7个CPU内部寄存器在任务切换时需要保存。μCOS-II系统调用OSCtxSw( )来实现任务的切换,下面给出其部分代码:

_OSCtxSw:

PUSHALL // 将所有寄存器压栈

OSIntCtxSw_in:

// 求出系统堆栈的长度 ,并将其存入R2

R1=SP

R2=OSStkStart

R1+=1

R2=R2-R1

R1=[_OSTCBCμγ]// R1≤OSTCBStkPtr, R1 为任

//务堆栈的头指针

R1=[R1] // 首先将系统堆栈长度保存在任

//务堆栈中

[R1]=R2

R3=OSStkStart // 得到堆栈的起始地址

// 保存系统堆栈到任务堆栈

save_stack:

R3-=1

R1+=1

R4=[R3]

[R1]=R4

R2-=1

JNZ save_stack

CALL _OSTaskSwHook

R1=[_OSTCBHighRdy]

[_OSTCBCur]=R1

R1=[_OSPrioHighRdy]

[_OSPrioCur]=R1

JMP OSCtxSw_in

3.2 μCOS-II系统时钟

以凌阳SPCE061A单片机的TMB2时基信号作为系统时钟,每经历一个时钟节拍的时间将产生一次中断,在中断服务子程序中会调用OSTickISR()函数,汇编代码如下:

_OSTickISR:

PUSHALL

R1=0x0001

test R1,[P_INT_Ctrl]

JZ OUT

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

CALL _OSIntEnter

CALL _OSTimeTick

CALL _OSIntExit

OUT:

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

POPALL

RETI

结 语

RTOS是当今嵌入式应用的热点。应用RTOS,可以提高产品的可靠性,降低研发周期。μCOS-II具有很好的实时性和很小的代码量,因此掌握μCOS-II的移植方法是相当重要的。

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