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μC/OS-II在Cortex-M3系列单片机上的移植

引言

μC/OSII是一种简单高效、源代码公开的实时嵌入式操作系统,具有良好的扩展性和可移植性,被广泛应用到各种嵌入式处理器上;对于提高产品的质量,减少开发周期和降低成本有着重要的意义。本文以μC/OSII为移植对象,以ARMCortexM3内核微处理器为移植目标来讨论其移植过程及应用。描述嵌入式操作系统μC/OSII在LM3S系列单片机上实现移植的过程。介绍操作系统的移植原理和方法,以LM3S8962单片机为例给出部分移植函数的代码,并通过一个实例的应用验证移植的正确性。

1 μC/OSII及ARM CortexM3简介

实时操作系统μC/OSII是一个基于优先级的抢占式实时内核,程序可读性强,移植性好,代码固定,可裁剪,非常灵活。至今,从8位到64位,μC/OSII已在超过40种不同架构的微处理器上运行。μC/OSII的主要特点有:是优先级可剥夺的实时多任务操作系统;可处理和调度56个用户任务,任务的优先级可以动态调整;提供任务间通信、同步使用的信号量、邮箱和消息队列;具有良好的可裁剪性,可尽量减小系统的ROM和RAM大小。

ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构,它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。当前ARM系列的处理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM 11等多个产品。CortexM3内核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能处理器内核,是ARM新型 V7

指令集结构系列的微控制器版本,可用于企业应用、汽车系统、家庭网络和无线技术等领域。其主要特点是:

① 功耗低;

② 内核的门数少,具有优异的性价比;

③ 中断延时短;

④ 调试成本低;

⑤ 具有嵌套向量中断控制器(NVIC),与处理器内核紧密结合实现低延迟的中断处理;

⑥ 具有可裁减的存储器保护单元(MPU),用于对存储器进行保护。

2 移植μC/OSII

Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含运行在 50 MHz频率下的ARM CortexM3

MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、1个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM以及正交编码器(quadrature

encoder)输入,非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电源设备、步进电机、有刷和无刷DC马达、AC感应电动机等方面的应用。

本移植在如下环境中完成:编译工具采用IAR FOR

ARM,目标板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962开发板。主机通过LMLINK JTAG连接目标板以建立交叉开发调试环境。

移植过程中,μC/OSII的核心源代码不用修改,可以直接放在μC/OSII

Source文件夹中。μC/OSII\\Ports目录存放μC/OSII基于LM3S单片机的移植代码,包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三个必要的文件。Target目录中的Startup.S文件是单片机的启动代码和中断向量表,Target.C和Target.H提供单片机初始化函数TargetInit(

)和其他简单的外设控制API函数。层次结构如图1所示。

将μC/OSII移植到ARM处理器上需要修改3个与ARM体系结构相关的文件: OS_CPU

.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分别介绍这3个文件的移植工作。

图1

(1) OS_CPU.H文件

包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定义类型等。

① OS_CPU.H定义的数据类型。在这次移植中μC/OSII重新定义了数据类型,如下所示:

typedefunsigned charBOOLEAN;

typedefunsigned charINT8U;

typedefsigned charINT8S;

typedefunsigned shortINT16U;

typedefsignedshortINT16S;

typedefunsigned intINT32U;

typedefsignedintINT32S;

typedeffloatFP32;

typedefdoubleFP64;

typedefunsigned intOS_STK;

typedefunsigned intOS_CPU_SR;

② 修改与ARM处理器相关的内容。不同处理器的堆栈增长方向是不一样的,ARM

CortexM3的堆栈是从高地址往低地址增长的,OS_STK_GROWTH设为1,程

序如下:

#defineOS_STK_GROWTH1

(2) OS_CPU_C.C文件

在OS_CPU_C.C定义的C函数中,OSTaskStkInit(

)函数与CPU相关,所以移植代码需要修改该函数。其程序如下(初始化任务时调用此函数初始化任务使用的堆栈):

OS_STK * OSTaskStkInit(void (*task)(void *p_arg),void *p_arg,OS_STK

*ptos,INT16U opt) {

OS_STK *stk;

(void)opt;//防止编译警告

stk=ptos;//装载栈顶指针,即堆栈数组最后的地址模拟中断发生的堆栈情况

*(stk)=(INT32U)0x01000000L;//xPSR

*(stk) =(INT32U)task;//PC,任务入口

*(stk) =(INT32U)0xFFFFFFFEL;//R14(LR)

*(stk) =(INT32U)0x12121212L;//R12

*(stk) =(INT32U)0x03030303L;//R3

*(stk) =(INT32U)0x02020202L;//R2

*(stk) =(INT32U)0x01010101L;//R1

*(stk) =(INT32U)p_arg;//R0,输入参数p_arg模拟任务进程,保存其他寄存器到堆栈

*(stk) =(INT32U)0x11111111L;//R11

*(stk) =(INT32U)0x10101010L;//R10

*(stk) =(INT32U)0x09090909L;//R9

*(stk) =(INT32U)0x08080808L;//R8

*(stk) =(INT32U)0x07070707L;//R7

*(stk) =(INT32U)0x06060606L;//R6

*(stk) =(INT32U)0x05050505L;//R5

*(stk) =(INT32U)0x04040404L;//R4

return(stk);

}

(3) OS_CPU_A.ASM文件

μC/OSII的移植需要编写5个简单的汇编语言函数。

① OS_ENTER _CRITICAL( ): 关闭中断源。

② OS_EXIT_CRITICAL( ): 重开中断源。

③ OSStartHighRdy( ): 运行当前优先级最高的任务。

④ OSCtxSw( ): 一个任务放弃CPU使用权时调用。

⑤ OSIntCtxSw(): 在退出中断服务函数OSIntExit( )中被调用,实现中断级任务切换。

因为LM3S单片机目前只支持8位中断优先级中的高3位,所以这里把1左移5位即是00100000B,其宏定义为OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU(1<<5)。

ARM CortexM3使用OSPendSV( )函数快捷地进行上下文切换。OSPendSV( )的C语言表述程序如下:

OSPendSV:关中断;

if(PSP !=NULL) {

保存R4~R11到任务堆栈SP_process;

OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;

}

OSTaskSwHook( );

OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

OSTCBCur = OSTCBHighRdy;

PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;

从新任务堆栈中恢复R4~R11;

恢复中断;

异常返回;

完成上述工作后,只要再根据目标板的实际情况编写Target目录中的3个文件,μC/OSII就可以运行在LM3S8962单片机上了。

3 实际应用

移植工作完成后,编写了一段程序,可以进行CAN通信,按键控制LED灯,通过RS232串口与主机相连实现对SD卡的读写等操作。下面是程序的部分代码:

staticOS_STKTask_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE]; /*卡操作任务堆栈*/

staticOS_STKGstkStart[TASK_START_STK_SIZE];/*启动任务的堆栈*/

static OS_STKGstkLed[TASK_LED_STK_SIZE];/*LED任务的堆栈*/

static OS_STKGstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE];/*按键任务的堆栈*/

static OS_STKGstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE];/*CAN通信任务的堆栈*/

OS_EVENT *Uart0ReviceMbox;/*串口接收数据邮箱*/

OS_EVENT *DispSem;/*按键信号量 */

OS_EVENT *DispSem1;/*CAN接收信号量*/

在Main.H中定义任务优先级为:

#defineTASK_START_PRIO0

#defineTASK_CARD_PRIO1

#defineTASK_LED_PRIO2

#defineTASK_KEY_PRIO3

#defineTASK_CAN_PRIO4

其中创建任务的任务代码为:

static void taskStart (void*parg) {

(void)parg;

DispSem = OSSemCreate(1);

DispSem1 = OSSemCreate(0);

targetInit();/*初始化目标单片机*/

#if OS_TASK_STAT_EN > 0

OSStatInit();/*使能统计功能*/

#endif

/*在这里创建其他任务*/

OSTaskCreate (taskLed, (void *)0,&GstkLed[TASK_LED_STK_SIZE 1],

TASK_LED_PRIO);/*初始化taskLed任务*/

OSTaskCreate ( Task_Card,/*创建SD卡操作任务*/

(void *)0,

&Task_CardStk[TASK_CARD_STK_SIZE 1],

TASK_CARD_PRIO );

OSTaskCreate (taskKey, (void *)0,/*创建按键操作任务*/

&GstkKey[TASK_KEY_STK_SIZE 1],

TASK_KEY_PRIO);

OSTaskCreate (taskCan, (void *)0,/*创建CAN操作任务 */

&GstkCan[TASK_CAN_STK_SIZE 1],

TASK_CAN_PRIO);

while (1) {

OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);/*启动任务可在这里挂起*/

}

}

SDExample为方便观察SD卡操作任务编写的GUI界面,选好与程序对应的串口波特率,连接好硬件。从图2可以看到,对SD卡可以进行成功操作。

图2

结语

μC/OSII作为一个优秀的实时操作系统,已经被移植到各种体系结构的微处理器上。本设计实现了其在LM3S8962上的成功移植,并通过一个实例验证了移植的正确性。本次移植只是做了一些基础性工作,在此基础上还可进行进一步的开发,充分利用LM3S系列单片机的性能和μC/OSII的特点,在检测与维修领域发挥一定作用。

 

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