基于GP32開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)μC/OS-II內(nèi)核的移植

作者：邵貝貝 ， 許慶豐 ， 王云飛

80X86CPU上的移植，相信讀者通信學(xué)習(xí)，已經(jīng)對(duì)移植的過程和步驟有了一定的了解。ΜC/OS-II最初是為摩托羅拉68HC11系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的。68HC11系列單片機(jī)有外部總線，可以外接RAM和ROM；而沒有外部總線8位MCU。由于RAM容量的限制，移植就存在一定的困難；但對(duì)于有些8位的MCU，將μC/OS-II移植到MOTOROLA

MC68H908GP32（以下簡(jiǎn)稱GP32）上。

一、在GP32上移植μC/OS-11的主要問題

在第（4）講中，介紹過要移植μC/OS-11，目標(biāo)處理必須滿足以下要求：

（1）處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；

（2）用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷；

（3）處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10～100Hz之間）；

（4）處理器支持足夠的RAM，保存全局變量和作為多任務(wù)環(huán)境下的任務(wù)堆棧。

（5）處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

編譯后的μC/OS-II的內(nèi)核大約有6～10KB；如果只保留最核心的代碼，則最小可壓縮到2KB。RAM的占用與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套的層數(shù)。所以，所要移植的系統(tǒng)中必須有足夠的RAM資源。而像MOTOROLA6805系列的8位MCU，由于RAM資源太小且堆棧指針是固定的，不能滿足上面的第（4）條和第（5）條要求，所以μC/OS-II不能在這類處理器上運(yùn)行。

GP32是68HC08家庭的成員，具有512字節(jié)的片內(nèi)RAM，32K字節(jié)的片內(nèi)Flash，8MHz總線時(shí)鐘。內(nèi)部寄存器包括1個(gè)8位累加器A，1個(gè)16位索引寄存器X，1個(gè)16位堆棧指針寄存器SP，1個(gè)16位程序指針寄存器PC及1個(gè)8位標(biāo)志寄存器CCR。與6805系列MCU相比，68HC08系列MCU的堆棧指針為16位，可以自由尋址。這就滿足了移植條件（5），且可以使用C編譯器生成代碼。GP32的用戶手冊(cè)可以在摩托羅拉公司的主頁(yè)上下載，http://www.motorola.com。

在GP32上移植μC/OS-II的主要困難還是RAM資源太少。為了移植成功，必須采取措施減少RAM的用量，包括限制系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)量、仔細(xì)修改μC/OS-II內(nèi)核、去掉不使用的部分、限制任務(wù)的斷嵌套層數(shù)、在任務(wù)中盡量減少使用局部變量等等。在采取了上述措施后，可將RAM用量減少到最低。但需要提醒的是，為了節(jié)省堆?？臻g而采用的限制中斷嵌套層數(shù)的方法將影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。所以，在GP32上移植μC/OS-II更多的是一種演示，能更好地說明μC/OS-II內(nèi)核的可裁剪性和靈活性。

在本講中將介紹一個(gè)移植實(shí)例。為了減少RAM用量，在本例中只運(yùn)行了2個(gè)用戶任務(wù)。盡量減池一內(nèi)核中不必要的模塊（包括由箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等），去掉了任務(wù)掛起、喚醒和刪除等擴(kuò)展功能，但仍然支持任務(wù)的創(chuàng)建和管理，也保留了信號(hào)量模塊來用來任務(wù)間的通訊。

二、工具和運(yùn)行環(huán)境

要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II向GP32的移植，需要一個(gè)面向MC68HC08的C編譯器。使用的是HIWARE公司的C編譯器。移植過程同樣適用于MC68HC08家庭的其他成員。

三、移植中所需修改的文件

首先是編寫整個(gè)項(xiàng)目的公共頭文件include.h，這個(gè)文件定義使用內(nèi)核中的哪些模塊。Include.h會(huì)被所有的C源程序引用。還要修改和CPU相關(guān)的三個(gè)文件，分別是頭文件OS_CPU08.H、匯編代碼文件OS_CPU08.ASM和C代碼文件OS_CPU08.C。

1.include.h文件

include.h是主頭文件，在所有后綴名為.C的文件的開始都包含include.h文件。文件中可以內(nèi)核進(jìn)行裁剪。在本例中定義如下：

對(duì)于不同類型的處理器，還需要改寫include.h文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。在安裝μC/OS-II的時(shí)候，附帶了幾個(gè)移植實(shí)例，例如，針對(duì)Intel

80X86的代碼安裝到IIL目錄下。我們?yōu)镚P32編寫的移植實(shí)例可放在IIHC08下，這樣，為GP32改寫的include.h文件中應(yīng)該加入下列語句：

#include “iiHC08_CPU08.ASM”

#include “iiHC08_CPU08.C”

#include “iiHC08_CPU08.H”

2.OS_CPU08.H文件

OS_CPU08.H文件中定義了硬件相關(guān)的基本信息：

/*數(shù)據(jù)類型*/

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U;

typedef signed char INT8S;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16S;

typedef unsigned long INT32U;

typedef signed long INT32S;

/*定義堆棧增長(zhǎng)方向*/

#define OS_STK_GROWTH1 /*堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)*/

/*定義堆棧單位*/

#define OS_STK INT8U

/*定義進(jìn)入臨界代碼區(qū)開關(guān)中斷宏*/

#define OS_ENTER_CRITICAL（） asm sei

#define OS_EXIT_CRITICAL（） asm cli

#define OS_TASK_SW（） asm swi

（1）數(shù)據(jù)類型

由于不同的處理器有不同的字長(zhǎng)，μC/OS-II的移植需要重新定義一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具體字長(zhǎng)還和使用的C編譯器有關(guān)。在GP32中堆棧是按字節(jié)操作的，堆棧數(shù)據(jù)類型OS_STK聲明為8位。μC/OS-II中所有任務(wù)的堆棧都必須用OS_STK聲明。

（2）代碼臨界區(qū)

μC/OS-II在進(jìn)入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前要關(guān)閉中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開，從而保護(hù)核心數(shù)據(jù)不被多任務(wù)環(huán)境下的其他任務(wù)或中斷破壞。在GP32中，開關(guān)中斷可以通過匯編指令CLI和SEI來實(shí)現(xiàn)。所以μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL（）定義為指令SEI，OS_EXIT_CRITICAL（）定義為指令CLI。

（3）堆棧增長(zhǎng)方向

GP32的堆棧是由高地址向低地址方向增長(zhǎng)的，所以常量OS_STK_GPOWTH必須設(shè)置為1。

（4）OS_TASK_SW（）函數(shù)的定義

在μC/OS-II中，OS_TASK_SW（）用來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。就緒任務(wù)的堆棧初始化應(yīng)該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，堆棧中應(yīng)該按進(jìn)棧次序設(shè)置好各個(gè)寄存器的內(nèi)容。OS_TASK_SW（）函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回的時(shí)候進(jìn)行任務(wù)切換。GP32中可采用軟中斷指令SWI實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。中斷服務(wù)程序的入口點(diǎn)必須指向匯編函數(shù)OSCtxSw（）。

OS_TASK_SW（）的定義：

#define OS_TASK_SW（） asm swi

3.OS_CPU08.ASM文件

μC/OS-II的移植需要改寫OS_CPU08.ASM中的4個(gè)函數(shù)：OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）和OSTickISR（）。

（1）OSStartHighRdy（）函數(shù)

該函數(shù)由SStart（）函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)。在調(diào)用OSStart（）之前，必須先調(diào)用OSInit（），并且已經(jīng)至少創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)。為了啟動(dòng)任務(wù)，OSStartHighRdy（）首先找到當(dāng)前就緒的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)（OSTCBHighRdy中保存有優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的任務(wù)控制塊-TCB的地址），并從任務(wù)的任務(wù)控制塊（OS_TCB）中找到指向堆棧的指針，然后從堆棧中彈出全部寄存器的內(nèi)容，運(yùn)行RTE中斷返回。由于任務(wù)創(chuàng)建時(shí)堆棧的結(jié)構(gòu)就是按中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)初始化的，執(zhí)行RET指令后就切換到新任務(wù)（有關(guān)μC/OS-II的任務(wù)切換機(jī)制，請(qǐng)參考系列講座的第2講）。對(duì)于OSStartHighRdy的代碼，我們采用在C中嵌入?yún)R編的方法編寫。需要說明的是，由于GP32中有512字節(jié)RAM，所以地址指針必須是16位的；而GP32中累加寄存器A為8位，所以用累加器A傳遞地址必須進(jìn)行兩次讀入、輸出操作。

Void OSStartHighRdy（void）

{asm

{

jsr OSTaskSwHook //調(diào)用用戶定義接口函數(shù)

lda OSRunning //設(shè)置OSRunning變量，標(biāo)志進(jìn)入多任務(wù)模式

inca

sta OSRunning

ldx OSTCBHighRdy //取得最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)TCB地址

stx OSTCBCur //保存到OSTCBCur中

pshx

ldx OSTCBHighRdy:1//保存地址的第二個(gè)字節(jié)

stx OSTCBCur:1

pulh

lda 0，X //載放就緒任務(wù)堆棧指針

psha

ldx 1，X //載入就緒任務(wù)堆棧指針第二個(gè)字節(jié)

pulh

txs

pulh //恢復(fù)索引寄存器內(nèi)容

rti //中斷返回，運(yùn)行新任務(wù)

}}

（2）OSCtxSw（）函數(shù)

OSCtxSw（）是一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)（在任務(wù)中調(diào)用，區(qū)別于在中斷程序中調(diào)用的OSIntCtxSw（））。在GP32上實(shí)現(xiàn)，可通過執(zhí)行一條軟中斷指令SWI來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。軟中斷向量指向OSCtxSw（）。在μC/OS-II中，如果任務(wù)調(diào)用了某個(gè)函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果可能造成系統(tǒng)任務(wù)新調(diào)度（例如試圖喚醒一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)），則在函數(shù)的末尾會(huì)調(diào)用OSSched（）；如果OSSched（）將查找當(dāng)前就緒的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，若不是當(dāng)前任務(wù)，則判斷是否需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，并找到該任務(wù)控制塊OS_TCB的地址，將該地址拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW（）執(zhí)行軟中斷進(jìn)行任務(wù)切換。在此過程中，變量OSTCBCur始終包含一個(gè)指向當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)OS_TCB的指針。OSCtxSw（）的匯編代碼如下：

Void OSCtxSw（void）

{asm

{pshh //保存X寄存器

tsx

pshx

pshh

dx OSTCBCur //載入當(dāng)前任務(wù)的TCB指針

pshx

ldx OSTCBCur:1 //載入TCB的第二個(gè)字節(jié)

pulh

pula

sta 0，x //保存當(dāng)前堆棧指針

pula

sta 1，x

jsr OSTaskSwHook //調(diào)用用戶定義的接口函數(shù)

lda OSPrioHighRdy //設(shè)置OSPrioCur=OSPrioHighRdy

sta OSPrioCur

pshx

ldx OSTCBHighRdy:1

stx OSTCBCur:1

pulh

lda 0，x //載入堆棧指針

psha

ldx，1，x

pulh

txs

pulh //恢復(fù)索引寄存器內(nèi)容

rti //中斷返回，切換任務(wù)

}}

（4）OSTickISR（）函數(shù)

在μC/OS-II中，當(dāng)調(diào)用OSStart（）啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境后，時(shí)鐘中斷的使用是非常重要的。在時(shí)鐘中斷程序中負(fù)責(zé)處理所有與定時(shí)相關(guān)的工作，如任務(wù)的延時(shí)、等待操作等等。在時(shí)鐘中斷中將查詢處于等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否延時(shí)結(jié)束，否則將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

為GP32編寫的函數(shù)OSTickISR（）的代碼如下：

void OSTickISR（）void{

asm{

pshh

LDA T1SC

BCLR 7，T1SC //允許中斷嵌套

}

OsintEnter（）; /*標(biāo)志進(jìn)入中斷*/

OSTimeTick（）； /*調(diào)用時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)*/

OSlntExit（）； /*標(biāo)志退出中斷*/

Asm{

Pulh

Rti

}}

和μC/OS-II中的其他中斷服務(wù)程序一樣，OSTickISR（）首先在被中斷任務(wù)堆棧中保存CPU寄存器的值，然后調(diào)用OSIntEnter（）。μC/OS-II要求在中斷服務(wù)程序開頭調(diào)用OSIntEnter（），其作用是將記錄中斷嵌套層數(shù)的全局變量OSIntNesting加1。如果不調(diào)用OSIntEnter（），直接將OSIntNesting加1也是允許的。隨后，OSTickISR（）調(diào)用OSTimeTick（），檢查所有處于延時(shí)等待狀態(tài)的任務(wù)，判斷是否有延時(shí)結(jié)束就緒的任務(wù)。在OSTickISR（）的最后調(diào)用OSIntExit（），如果在中斷中（或其他嵌套的中斷）有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，并且當(dāng)前中斷為中斷嵌套的最后一層，OSIntExit（）將進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。注意：如果進(jìn)行了任務(wù)調(diào)度，OSIntExit（）將不同志返回調(diào)用者，而是用新任務(wù)的堆棧中的寄存器數(shù)值恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)，然后用IRET實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。如果當(dāng)有中斷不是中斷嵌套的最后一層，或中斷中沒有改變?nèi)蝿?wù)的就緒狀態(tài)，OSIntExit（）將返回調(diào)用者OSTickISR（），最后OSTickISR（）返回被中斷的任務(wù)。

4.OS_CPU08.C文件

μC/OS-II的移植需要用戶在OS_CPU08.C中定義6個(gè)函數(shù)：

OSTaskStkInit（）

OSTaskCreateHook（）

OSTaskDelHook（）

OSTaskSwHook（）

OSTaskStatHook（）

OSTimeTickHook（）

實(shí)際需要定義的只有OSTaskStkInit（）函數(shù)，其他5個(gè)函數(shù)需要聲明，但不一定有實(shí)際內(nèi)容。這5個(gè)函數(shù)都是用戶定義，所以O(shè)S_CPU08.C中只有定義，沒有給出代碼。如果用戶需要使用這些函數(shù)，請(qǐng)將文件OS_CFG.H中的#define

constant OS_CPU_HOOKS_EN設(shè)為1，設(shè)為0表示不使用這些函數(shù)。

OSTaskStkInit（）函數(shù)由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）調(diào)用，用來初始化任務(wù)的堆棧。初始狀態(tài)的堆棧模擬發(fā)生一次中斷后的堆棧結(jié)構(gòu)，按照中斷后的進(jìn)棧次序預(yù)留各個(gè)寄存器存儲(chǔ)空間；而中斷返回地址指向任務(wù)代碼的起始地址。當(dāng)調(diào)用OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)時(shí)，需要傳遞的參數(shù)是：任務(wù)代碼的起始地址、參數(shù)指針（pdata）、任務(wù)堆棧頂端的地址、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。OSTaskCreateExt（）還需要一些其他參數(shù)，但與OSTaskStkinit（）沒有關(guān)系。OSTaskStkInit（）只需要以上提到的3個(gè)參數(shù)（task、pdata和ptos）。堆棧初始化工作結(jié)束后，OSTaskStkInit（）返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate（）OSTaskCreateExt（）將指針保存在任務(wù)的OS_TCB中。

Void*OSTaskStklint（void（*task）（void*pd），void*pdata，void*ptos，INT16U

opt）

{

INT16U *stk;

stk=（INT16U*）ptos; /*保存堆棧指針*/

*--stk=（INT16U）（task）; /保存程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容*/

*--stk=（INT16U）（0x00）; /初始化X和A寄存器內(nèi)容*/

--stk=（INT16U）（0x00）; /*初始化CCR和H寄存器*/

return（（void*）stk）;

}

其余的幾個(gè)函數(shù)：OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook和OSTimeTickHook（）均由用戶自定義。

四、制作用戶自己的項(xiàng)目

在為內(nèi)核編寫了上述與硬件相關(guān)的代碼以后，用戶就可以為自己的項(xiàng)目編寫實(shí)際的代碼了。在本例中，用戶任務(wù)共有兩個(gè)。任務(wù)1在初始化時(shí)鐘中斷以后，就進(jìn)入了一人死循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)里，任務(wù)1一方面以1s（秒）為周期改變并行I/O口PORTA第0個(gè)引腳的輸出電壓，另一方面每隔4s便向任務(wù)2發(fā)送1個(gè)信號(hào)。而任務(wù)2則始終等待任務(wù)1發(fā)來的信號(hào)，一旦收到信號(hào)，便改變并行I/O口PORTA第1個(gè)引腳的輸出電壓。具體的代碼如下：

/*****************************************

* EXE2.C

*******************************************/

#include＜hidef.h＞

#include “includes.h”

Byte PORTA @0x0000; /*并口A地址$0000*/

Byte DDRA @0x0004; /*并口A方向寄存器地址$0004*/

Byte T1SC @0x0020; /*定時(shí)器控制寄存器地址$0020*/

Byte T1MODH@0x0023; /*定時(shí)器模式寄存器地址$0023*/

OS_EVENT *Semaphore；

#define TASK_STK_SIZE 64 /*任務(wù)堆棧大小64字節(jié)*/

INT8U Task1Stk［TASK_STK_SIZE］; /*定義任務(wù)1堆棧*/

INT8U Task2Stk［TASK_STK_SIZE］; /*定義任務(wù)2堆棧*/

Void Hardwareinit（void）;

Void Task1（void*pdata）

{int count=0;

/*int count=0;

/*初始化定時(shí)器*/

asm{

LDA #0x50

STA T1SC

LDHX #0x0333 //設(shè)定定時(shí)器間隔100ms

STHX T1MODH

CLI

}

for（;;）{

PORTA&=0xFE;

OSTimeDly（5）; /*延時(shí)0.5s*/

PORTA|=0x01;

/*延時(shí)0.5s*/

DSTimeDly（5）;

Count++;

If（count= =4）{

OSSemPost（Semaphore）;

Count=0;

}

}}

void Task2（void *pdata）

{

Byte err;

For（;;）{

OSSemPend（Semaphore，0，&err）;

PORTA&=0xFD：

OSSemPend（Semaphore，0，&err）;

PORTA|=0x02;

}

}

void main（void）{

Hardwarelnit（）; /*完成硬件的初始化工作*/

Oslint（）; /*初始化多任務(wù)環(huán)境*/

Semaphore=OSSemCreate（0）;

OSTaskCreate（Task1，（void*）0，（void*）&Task1Stk

［TASK_STK_SIZE］，10）;

OSTaskCreate（Task2，void*）0，（void*）&Task2Stk

［TASK_STK_SIZE］，9）;

OSStart（）;

}

在主程序main（）中，用戶必須先調(diào)用OSInit（），然后創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)和信號(hào)量等，最后調(diào)用OSStart（），以啟動(dòng)內(nèi)核運(yùn)行，開始正常的任務(wù)調(diào)度。

本例中盡量減小了對(duì)RAM的需求：假如中斷嵌套層數(shù)不超過三層，所需事件只有一個(gè)，即只需要一個(gè)事件控制塊；應(yīng)用中對(duì)μC/OS-II提供的功能進(jìn)行最大限度的裁剪，能不用的盡量不用。采用了上述措施后，μC/OS-II的RAM使用情況大致如下：μC/OC-II所使用的全局變量占用22字節(jié)，事件控制塊占用12字節(jié)。此外，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，還需要最小30字節(jié)的系統(tǒng)堆棧用于初始化TCB，并傳遞參數(shù)。以上為μC/OS-II中系統(tǒng)所必需的RAM，計(jì)64字節(jié)。

假設(shè)給每個(gè)任務(wù)分配64個(gè)字節(jié)的堆?？臻g，其中用于任務(wù)控制塊17字節(jié)，允許三層中斷嵌套要用18字節(jié)，任務(wù)切換時(shí)的棧結(jié)構(gòu)要用8字節(jié)。由于程序是用C語言編寫的，確切的子函數(shù)嵌套調(diào)用層數(shù)是不知道的。如果不使用本身需要緩沖區(qū)的C語言函數(shù)，如printf（）等，任務(wù)中程序調(diào)用所產(chǎn)生的嵌套層數(shù)不超過10層，則64字節(jié)中還能分析給任務(wù)局部變量的空間只剩下1字節(jié)了。這是能分配任務(wù)的最小RAM空間了。

綜上所述，GP32的512字節(jié)RAM可分為8個(gè)64字節(jié)的RAM塊。如果運(yùn)行4個(gè)任務(wù)，能留給應(yīng)用程序的RAM也只剩下128字節(jié)了。如果在GP32上運(yùn)行μC/OS-II，且不多于8個(gè)任務(wù)，則任務(wù)調(diào)度表可以再簡(jiǎn)化，不需要調(diào)度64個(gè)任務(wù)，只調(diào)度8個(gè)任務(wù)就可以了。

責(zé)任編輯：gt