嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在DSP上的移植
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0. 引言 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核是一個(gè)強(qiáng)占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度的系統(tǒng)，能管理63個(gè)任務(wù)，支持旗語(yǔ)、信號(hào)量、互斥信號(hào)量、隊(duì)列和消息郵箱，是一個(gè)是典型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它最早由Jean J. Labrosse創(chuàng)作，源碼完全公開(kāi)，已有眾多應(yīng)用范例，可靠性能得到保證，內(nèi)核小，移植性好。TI的C2000系列DSP處理器 TMS320LF2407A片內(nèi)集成16路10位AD，4個(gè)通用定時(shí)器，8個(gè)16位PWM通道，4個(gè)CAP捕獲單元，41路I/O通道，以及SPI、 RS232、CAN等通信接口，豐富的片內(nèi)資源，使得控制器不需任何擴(kuò)展就能滿足所有的功能要求，且冗余很少。 DSP處理器在數(shù)學(xué)運(yùn)算方面的優(yōu)勢(shì)也為智能化過(guò)程所需的數(shù)據(jù)處理提供了支持。TMS320LF2407A指令采用4級(jí)流水線操作，最高能以40M的系統(tǒng)時(shí)鐘工作，再加上合適的RTOS的調(diào)度，完全能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。其開(kāi)發(fā)系統(tǒng)TMS320C2XX Code Composer Studio滿足μC/OS-Ⅱ的移植條件，因此，它是嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主控制芯片的一個(gè)較好選擇。筆者在設(shè)計(jì)基于CAN的工程機(jī)械嵌入式智能顯示儀時(shí)，選用2407A做主控制芯片，軟件方面，將實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-Ⅱ移植到該DSP 控制器TMS320LF2407A上，而應(yīng)用程序是在μC/OS-Ⅱ內(nèi)核基礎(chǔ)上的一系列任務(wù)。 1. μC/OS-Ⅱ的移植 由于μC/OS-Ⅱ在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以μC/OS-Ⅱ的移植相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易。移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：（1）用#define設(shè)置一個(gè)常量的值(OS_CPU.H)（2）聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型(OS_CPU.H)（3）用#define聲明三個(gè)宏 (OS_CPU.H)（4）用C語(yǔ)言編寫(xiě)六個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)（5）編寫(xiě)四個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM)；即μC/OS-Ⅱ的移植要修改3個(gè)文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM。其中匯編語(yǔ)言文件OS_CPU_A.ASM是可選擇的，因?yàn)槟承〤編譯器允許用戶在C語(yǔ)言中插入?yún)R編語(yǔ)言，所以用戶可以將所需的匯編語(yǔ)言代碼直接放到OS_CPU_C.C中。CCS的C編譯器允許在 C語(yǔ)言中嵌入?yún)R編語(yǔ)言，但是由于這種方式破壞了C語(yǔ)言的完整性，因此只提倡在程序開(kāi)始系統(tǒng)初始化部分少量采用。而在C語(yǔ)言中嵌入實(shí)現(xiàn)某一完整功能的多句匯編語(yǔ)言時(shí)，就不提倡采用這種方法。所以，移植中還是對(duì)OS_CPU_A.ASM做了修改。 2. 編寫(xiě)移植代碼 移植μC/OS-Ⅱ的主要工作是聲明與硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，定義與中斷有關(guān)的宏定義，定義堆棧增長(zhǎng)方向宏定義，編寫(xiě)堆棧初始化函數(shù)，HOOK接口函數(shù)，任務(wù)級(jí)上下文切換函數(shù)，中斷級(jí)上下文切換函數(shù)以及系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)服務(wù)函數(shù)等。 2.1 移植OS_CPU.H文件 (1)一個(gè)常量值。OSInit需要知道當(dāng)OS_TaskIdle() 和OS_TaskStat( ) 函數(shù)建立任務(wù)時(shí)，堆棧的頂端地址在哪里；其次調(diào)用OSTaskStkChk( )時(shí)，μC/OS-Ⅱ需要知道堆棧的底端地址在哪里。所以需要指明堆棧的增長(zhǎng)方向。絕大多數(shù)微處理器和微控制器的堆棧是從上往下遞減的，但是也有某些處理器使用的是相反的方式。TMS320LF2407A的堆棧方向是從下往上增長(zhǎng)的，所以： #define OS_STK_GROWTH 0;// 堆棧方向是從下往上增長(zhǎng) (2) 聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型。μC/OS-Ⅱ考慮到通用性，在內(nèi)核中使用了自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，與編譯器無(wú)關(guān)，這就要求移植時(shí)必須定義微處理器的數(shù)據(jù)類(lèi)型與μC/OS-Ⅱ的數(shù)據(jù)類(lèi)型相一致，保證移植后的μC/OS-Ⅱ在微處理器平臺(tái)上運(yùn)行，在移植中應(yīng)將其聲明為CCS編譯器可識(shí)別的類(lèi)型。這可以由OS_CPU.h頭文件實(shí)現(xiàn)，程序如下所示。 typedef unsigned char BOOLEAN;/*定義ucos里的boolean為unsigned char*/ typedef unsigned char INT8U; /*定義ucos里的INT8U為unsigned char*/ typedef signed char INT8S; /*定義ucos里的INT8S為signed char*/ typedef unsigned int INT16U; /*定義ucos里的INT16U為unsigned int*/ typedef signed int INT16S; /*定義ucos里的INT16S為signed int*/ typedef unsigned long INT32U; /*定義ucos里的INT32U為unsigned long*/ typedef signed long INT32S; /*定義ucos里的INT32S為signed long */ typedef float FP; /*定義ucos里的FP為float*/ #define OS_STK INT16U /*堆棧入口寬度為16位*/ 由于系統(tǒng)沒(méi)有用到OS_CPU_SR類(lèi)型數(shù)據(jù)，所以沒(méi)有定義此數(shù)據(jù)類(lèi)型。 ?。?）3個(gè)宏定義。μC/OS-Ⅱ在內(nèi)核中通過(guò)禁止中斷來(lái)保護(hù)臨界區(qū)，因此，需要在C語(yǔ)言中插入禁止和允許中斷的匯編代碼，DSP里用SETC INTM來(lái)屏蔽中斷，用CLRC INTM來(lái)使能中斷。所以移植代碼定義了下面兩條宏定義： #define OS_ENTER_CRITICAL() asm(" SETC INTM") #define OS_EXIT_CRITICAL() asm(" CLRC INTM") μC/OS-Ⅱ定義了三種保護(hù)臨界區(qū)的方式，此移植版本采用的是最簡(jiǎn)單的第一種方法。此種方法就要求中斷關(guān)閉的情況下不能調(diào)用μC/OS-Ⅱ的功能函數(shù)。這對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可以接受的，所以就選擇了此種模式。TMS320LF2407A支持多種中斷方式，包括可屏蔽硬中斷INT1～I(xiàn)NT6，不可屏蔽硬中斷RESET和NMI_VECT，不可屏蔽軟中斷INT8～I(xiàn)NT16和INT20～I(xiàn)NT31以及中斷陷阱TRAP。因此使用INT31軟中斷來(lái)調(diào)用OSCtxSw()來(lái)從任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所用的寄存器。用INT2的定時(shí)器1周期中斷來(lái)調(diào)用OSTickISR()。定義模仿INT31中斷的宏，來(lái)跳轉(zhuǎn)到INT31 #define OS_TASK_SW() asm(" INTR 31") 在中斷向量表里的定義 .include f2407regs.h .global _c_int0, _OSTickISR, RESET, _OSCtxSw,_GRIS5,_adint,_nothing .asect "vectors",0 …… INT2 B _OSTickISR ; B _c_int2 …… INT31 B _OSCtxSw ; task switching service vector. 2.2 移植OS_CPU_C.H文件 μC/OS-Ⅱ的移植范例要求編寫(xiě)10個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，但是真正必要的函數(shù)是OSTaskStkInit()，其他9個(gè)函數(shù)必須申明，但并不一定要包含任何代碼。OSTaskStkInit()主要是對(duì)任務(wù)堆棧的初始化。TMS320LF2407A的堆棧與一般微處理器的堆棧不同，一般微處理器的堆棧由編程定義一塊內(nèi)存作為堆棧比較靈活，而TMS320LF2407A的堆棧，是在CPU內(nèi)有8級(jí)深度的硬件堆棧，因此任務(wù)堆棧的初始化與一般微處理器的堆棧初始化不同。芯片本身的堆棧（以下簡(jiǎn)稱US）只有8級(jí)，無(wú)法作為系統(tǒng)的堆棧使用，所以CCS編譯器將CPU內(nèi)部的兩個(gè)寄存器AR0和AR1保留，AR1作為堆棧指針，AR0用作堆棧中臨時(shí)變量指針FP。編譯器將函數(shù)或中斷壓進(jìn)US的返回地址，彈出放在SP（AR1）指向的堆棧中，并保存CPU 的工作環(huán)境，不同的是函數(shù)只保存程序要用到的寄存器，中斷要調(diào)用I$$SAVE子程序，保存CPU所有的寄存器，返回時(shí)調(diào)用I$$REST子程序，恢復(fù) I$$SAVE和I$$REST兩個(gè)函數(shù)是μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到TMS320LF2407A上的基礎(chǔ)，一定要很清楚后才能夠成功移植 OSTaskStkInit()函數(shù)。
2.3 移植OS_CPU_C.H文件
需要在該文件中編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)：（1）OSStartHighRdy()：這是系統(tǒng)完成初始化后啟動(dòng)多任務(wù)運(yùn)行時(shí)要調(diào)用的函數(shù)，主要功能是：將OSRunning標(biāo)志置為T(mén)RUE，然后獲取已建立的優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的堆棧指針，并從其堆棧中恢復(fù)處理器寄存器，最后執(zhí)行返回指令返回上述任務(wù)中運(yùn)行該任務(wù)。（2）OSCtxSw()：在本移植中，任務(wù)級(jí)任務(wù)切換用軟中斷intr31實(shí)現(xiàn)，OSCtxSw()即為該中斷的中斷服務(wù)程序。它先要將當(dāng)前處理器寄存器壓入當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，將當(dāng)前堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊中；然后用與OSStartHighRdy()相類(lèi)似的方法運(yùn)行當(dāng)前處于就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。（3）OSIntCtxSw()：該函數(shù)被OSIntExit()函數(shù)調(diào)用，用于在ISR中進(jìn)行任務(wù)切換。它與OSCtxSw() 的區(qū)別在于無(wú)需對(duì)當(dāng)前任務(wù)的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存，因?yàn)檫@一工作在進(jìn)入ISR之時(shí)已經(jīng)做了。（4）OSTickISR()：用定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)周期為恒定值的時(shí)鐘源提供給μC/OS-Ⅱ，這是μC/OS-Ⅱ時(shí)間延遲和超時(shí)功能的時(shí)間基準(zhǔn)。OSTickISR()是該定時(shí)器周期中斷的中斷服務(wù)程序。它主要有兩個(gè)功能：一個(gè)是調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)，計(jì)算自系統(tǒng)上電以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，并將每個(gè)處于延時(shí)等待狀態(tài)任務(wù)的OSTCBDIy項(xiàng)減1；另一個(gè)是調(diào)用OSIntExit()函數(shù)查看是否有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)而延遲時(shí)間到并進(jìn)入就緒態(tài)，如果有，則進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)切換。另外，在該函數(shù)的入口處要將OSIntNesting加1；在出口處將OSIntNesting減1。其中堆棧的構(gòu)造，采用了系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)I$$SAVE和I$$RSET函數(shù)來(lái)保護(hù)/恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、保護(hù)/恢復(fù)任務(wù)棧。時(shí)鐘節(jié)拍TICK中斷由實(shí)時(shí)時(shí)鐘完成，但是2407A中沒(méi)有此定時(shí)器，移植是采用T1的周期中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，時(shí)鐘頻率為10M，4倍頻后CPU時(shí)鐘為40M。系統(tǒng)初始化代碼如下。
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