2023年02月03日 | μCOS-Ⅱ在ARM系列单片机S3C44B0x上的移植

引 言
    目前，嵌入式系统在工业控制、家用电器、移动通信、PDA等各种领域得到了越来越广泛的应用。由于用户对嵌入式产品的性能要求越来越高，程序设计也变得越来越复杂，这就需要一个通用的嵌入式实时操作系统来对其进行管理和控制。对移植了操作系统的嵌入式系统进行设计和开发，可以大大减小程序员的负担，对于不同的应用可以按照相同的步骤来完成系统的设计。

    μC／OS-Ⅱ是一种简单高效、源代码公开的嵌入式实时操作系统，具有良好的可扩展性和可移植性，被广泛的应用到各种嵌人式处理器上。μCOS-Ⅱ操作系统拥有可固化，可裁剪，可剥夺性的实时内核，可同时管理64个系统任务。利用移植μCOS-Ⅱ操作系统的嵌入式微处理器来设计和开发产品，对于提高产品的性能，减少产品的开发周期和降低开发成本有着重要的意义。在此较详细地分析和介绍了嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ在ARM系列单片机S3C44B0x上的移植过程。

1 μCOS-Ⅱ概述
    μCOS-Ⅱ是一种源代码公开、结构小巧、具有可剥夺性实时内核的嵌入式实时操作系统。μCOS-Ⅱ是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用，至今，从8位到64位，μCOS-Ⅱ已在超过40种不同架构的微处理器上运行。μCOS-Ⅱ是专门为嵌入式应用而设计的，它包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务问的通信和同步等基本功能。μCOS-Ⅱ拥有一个可移植、可固化、可裁剪的实时内核，它具有执行效率高，占用空间小，实时性能优良和可扩展性强等特点，被广泛地移植应用到各种嵌入式微处理器中。

2 S3C44B0处理器概述
    S3C44B0x微处理器采用高性能、低功耗的32位RISC内核ARM7TDMI。 同时，S3C44B0x在ARM7TDMI核的基础上，扩展了一系列的外围器件，使系统成本及外围器件数目降低至最低，这些功能部件分为CPU单元，系统时钟管理单元，存储单元和系统功能接口单元，片上集成的主要功能如下：
    在ARM7TDMI基础上增加了8 KB的CACHE；外部扩充存储器控制器；LCD控制器，并带有1个LCD专用DMA通道；2个通用DMA通道，2个带外部请求引脚的DMA；2个带有握手协议的UART，1个SIO；1个I2C总线控制器；5个PWM定时器及1个内部定时器；1个看门狗定时器；71个通用可编程I／O口，8个外部中断源；功耗控制模式：正常、低、休眠和停止；8路10位ADC；具有日历功能的RTC；PLL时钟发生器等。

3 嵌入式操作系统μCOS-Ⅱ的移植
3．1 移植μCOS-Ⅱ的条件
    所谓移植，就是使一个实时内核能在其他的微处理器或微控制器上运行。为方便移植，大部分μCOS-Ⅱ的代码都是用C语言编写的，但是仍需要用C语言和汇编语言编写与处理器硬件相关的代码，这是因为μCOS-Ⅱ在读／写处理器的寄存器时，只能通过汇编语言来实现，要使μCOS-Ⅱ正常运行，处理器必须满足以下要求：
    (1)处理器的C编译器能产生可重人型代码；
    (2)处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常为10～100 Hz)；
    (3)用C语言就可以开／关中断；
    (4)处理器能支持一定数量的数据存储硬件堆栈；
    (5)处理器有将堆栈指针以及其他CPU寄存器的内容读出、并存储到堆栈或内存中去的指令。
    ARM系列单片机S3C44B0x满足以上的条件。所以可以将μCOS-Ⅱ移植应用到S3C44B0x。

3．2 搭建移植环境
    本次移植在如下的环境中完成：
    (1)编译工具采用ARM公司的ADS 1．2。ADS全称为ARM Developer Suite，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具。现在ADS的最新版本是1．2，它取代了早期的ADS 1．0和ADS 1．1。ADS 1．2由命令行开发工具，ARM实时库，GUI开发环境，实用程序和支持软件组成。有了这些部件，用户就可以非常方便地为ARM系列的处理器编写和调试自己的应用程序了。
    (2)目标板采用杭州立宇泰公司生产的S3C44B0x开发板，主机通过JTAG连接目标板以建立交叉开发调试环境。

3．3 μCOS-Ⅱ的移植
    μCOS-Ⅱ的硬件／软件体系结构如图1所示，对μCOS-Ⅱ的移植其实就是对与处理器有关的代码进行重新编写或修改。

    由图1可知，移植μCOS-Ⅱ实际上就是分别对OSCPU．H，OS_CPU_A．ASM和OS_CPU_C.C这三个文件进行重新编写或修改。由于在本次移植中是将μCOS-Ⅱ移植到ARM系列单片机S3CA4B0x中，接下来将结合S3CA4B0x微处理器的特性来具体介绍本次移植过程中所做的主要工作。

    (1)移植OS_CPU．H文件
    OS CPU．H文件中包括了用#define定义的与处理器相关的常量和类型的定义，与μCOS-Ⅱ所定义的变量类型相一致；定义开／关中断的宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来保护临界段代码免受多任务或中断服务例程的干扰；定义栈的增长方向，在本次移植中栈的增长方向被定义为从上往下增长，OS_STK_GROWTH的值定义为1。在移植该文件时，需要编写和修改的部分代码如下所示：
    ①设置与编译器相关的数据类型

   
    ③设置堆栈的增长方向
    绝大多数的微处理器和控制器的堆栈是从上往下增长的，但是也有一些处理器和控制器的堆栈增长方向是从下往上增长的μCOS-Ⅱ被设计成这两种情况都可以处理，只要在结构常量OS_STK_GROWTH中指定堆栈的增长方式即可。在本次移植中堆栈的增长方向被设置成从上往下增长。

   
    (2)移植OS_CPU_C．C文件
    在该文件中需要编写10个简单的C函数它们分别是：

在这些函数中惟一必须需要编写的函数是OSTa-skStkInit()，其他9个函数必须要声明，但不一定要包含任何代码。OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通过调用OSTaskStkInit()函数来初始化任务的堆栈结构，因此，堆栈看起来就像刚发生过中断，并将所有的寄存器都保存到堆栈中的情形一样。OSTaskStkInit()的程序代码如下：

    (3)移植OS_CPU_A．ASM文件
    在移植OS_CPU_A．ASM文件时，要求用户编写4个简单的汇编语言函数，它们分别是：OS-StartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OS-TIckISR()。
    ①OSStartHighRdy()：运行最高优先级的就绪任务。此函数仅在多任务启动时执行一次，用来启动第1个(也就是最高优先级)任务运行。它的程序代码如下：

    ②OSCtxSw()：任务级任务切换函数。实现CPU在正常运行时任务间的切换，完成对当前任务堆栈的保存和对最高优先级任务堆栈的弹出，使最高优先级的任务得到运行。
    ③OSIntCtxSw()：中断级的任务切换函数。在中断服务程序执行完后，如果中断使得更高优先级的任务处于就绪状态，则该函数实现对任务的切换：保存中断发生之前的那个任务的执行现场．恢复已处于就绪态的那个更高优先级任务的执行现场，使优先级更高的那个任务得以运行，从而完成对任务的切换。
    ④OSTIckISR()：是系统时钟的中断服务函数。该函数的主要功能是检查是否有由于延时而被挂起的任务转为就绪态。如果有，则调用OSIntCtxSw()函数进行任务切换，使已处于就绪态的且具有最高优先级的任务运行。

4 测试移植代码
    为S3C44B0x移植好μC／OS-Ⅱ后，紧接着的工作就是验证移植好的μC／OS-II是否能正常工作。在这里采用不加任何应用程序代码的方法测试移植好的μC／OS-Ⅱ，这样做有两个优点：使测试移植代码的工作变得更简单；如果有部分,μC／OS-II代码不能正常工作，可以明白是被移植代码本身的问题，而不是应用代码产生的问题。通过四个步骤来完成对移植代码的测试：确保C编译器、汇编编译器及链接器正常工作；验证OSTaskStkInit()和OSStartHighRdy()函数；验证OSCtxSw()函数；验证OSIntCtxSw()和OSTick-ISR()函数。经测试，以上四个测试过程均能正常通过，表明被移植到ARM系列单片机S3C44B0x中的μC／OS-Ⅱ操作系统已经能正常工作了。

5 结束语
    μC／OS-II是一种可配置、可裁剪的嵌入式实时操作系统，现已被广泛的移植应用到多种处理器当中。这里成功地将μC／OS-Ⅱ移植到了ARM系列单片机S3C44B0x中，经测试，移植好的μC／OS-Ⅱ代码能正常的在S3C44B0x处理器中稳定运行。