uC/OS II在S3C2410上的移植

    隨著信息化技術的發展和數字化產品的普及，以計算機技術、晶元技術和軟體技術為核心的嵌入式系統再度成為當前研究和應用的熱點。對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬體設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，其中嵌入式微處理器和嵌入式操作系統分別是其硬體和軟體的核心。
    ARM處理器由於其具有小體積、低功耗、低成本、高性能等特點，廣泛應用在16/32位嵌入式RISC解決方案中，幾乎佔有嵌入式微處理器市場分額的75% ，本文選定三星公司生產的一款基於ARM920T核的高性能低功耗SOC晶元S3C2410作為移植方案的硬體平台。市場上主流的嵌入式實時操作系統有Vxworks、pSos、WinCE、Linux等，基於實時性、成本以及開發難度方面的考慮，我們選擇uC/OS II——開放源代碼的嵌入式實時操作系統。

1 uC/OS II介紹
    uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一個可以基於ROM運行的、可裁減的、搶佔式(見圖1)實時多任務內核，具有高度可移植性，特別適合於微處理器和控制器，是和很多商業操作系統性能相當的實時操作系統(RTOS)。為了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C語言進行開發，並且已經移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP)。
 
    uC/OS II可以簡單的視為一個多任務調度器，在這個任務調度器之上完善並添加了和多任務操作系統相關的系統服務，如信號量、郵箱等。其主要特點有公開源代碼，代碼結構清晰、明了，註釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬於搶佔式，最多可以管理60個任務。從1992年開始，由於高度可靠性、魯棒性和安全性，uC/OS II已經廣泛使用在從照相機到航空電子產品的各種應用中。

2 uC/OS II在S3C2410上的可移植性
    所謂移植，就是使這個實時內核能在某個微處理器上運行。為了方便移植，大部分的uC/OS II代碼是用c語言寫的，但仍需要用c和彙編語言寫一些與處理器相關的代碼，這是因為uC/OS II在讀寫處理器寄存器時只能通過彙編語言來實現。由於uC/OS II在設計時就已經充分考慮了可移植性，所以uC/OS II的移植相對來說是比較容易的。uC/OS II的框架結構如圖2。
 
    uC/OSII的正常運行需要處理器平台滿足以下要求：
a)處理器的C編譯器能產生可重入代碼。
b)用C語言就可以打開和關閉中斷。
c)處理器支持中斷，並且能產生定時中斷(通常在10至100Hz之間)。
d)處理器支持能夠容納一定量數據(可能是幾千位元組)的硬體堆棧。
e)處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。
    S3C2410處理器採用ARM920T內核，內部共有37個寄存器，其中R13通常用作堆棧指針，只要系統RAM空間允許，堆棧空間理論上沒有限制。ARM處理器提供ARM指令和Thumb指令兩種指令集，每種指令集都包含有豐富的指令對堆棧進行操作，可以隨意的對處理器中的寄存器進行堆棧操作。根據堆棧生長方向的不同，可以生成4種不同的堆棧，分別是滿遞增、空遞增、滿遞減(此移植中使用的是滿遞減方式)、空遞減。晶元內集成5個定時時鐘，任何一個都可以產生定時中斷，滿足第三條要求。ADS集成開發環境的內置編譯器可以產生可重入代碼，並且支持內嵌彙編，C環境中可任意的進行開關中斷操作。綜上所述uC/OS II完全可以移植到S3C2410上運行。

3 主體移植過程
3.1 設置與處理器及編譯器相關的代碼[OS_CPU.H]
    不同的編譯器會使用不同的位元組長度來表示同一數據類型，所以要定義一系列數據類型以確保移植的正確性。下面是uC/OS II定義的一部分數據類型。
typedef unsigned char BOOLEAN；
typedef unsigned char INT8U；/*無符號8位*/
typedef signed char INT16S；/*帶符號8位*/
typedef unsigned int INT16U；/*無符號16位*/
typedef signed int INT16S；/*帶符號16位*/
typedef unsigned long INT32U；/*無符號32位數*/
typedef signed long INT32S；/*帶符號32位數*/
typedef float FP32；/*單精度浮點數*/
typedef double FP64；/*雙精度浮點數*/
typedef unsigned int OS_STK；/*堆棧入口寬度*/
typedef unsigned int OS_CPU_SR；/*寄存器寬度*/
    uC/OS II需要先關中斷再訪問臨界區的代碼，並且在訪問完后重新允許中斷。uC/OS II定義了兩個宏來禁止和允許中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，本移植實現這兩個宏的彙編代碼。
#define OS_ENTER_CRITICAL()(cpu_sr=OSCPUSaveSR())/*Disable interrupts*/
#define OS_EXIT_CRITICAL()(OSCPURestoreSR(cpu_sr))/*Enable interrupts*/
EXPORT OSCPUSaveSR
OSCPUSaveSR
mrs r1,cpsr
mov r0,r1
orr r1,r1,#0xc0
msr cpsr_cxsf,r1
mov pc,lr
EXPORT OSCPURestoreSR
OSCPURestoreSR
msr cpsr_cxsf,r0
mov pc,lr

3.2 用C語言實現與處理器任務相關的函數[OS_CPU_C.C]
OSTaskStkInit()
OSTaskCreateHook()
OSTaskDelHook()
OSTaskSwHook()
OSTaskStatHook()
OSTimeTickHook()
    實際需要修改的只有OSTaskStkInit()函數，其他五個函數需要聲明，但不一定有實際內容。這五個函數都是用戶定義的，所以OS_CPU_C.C中沒有給出代碼。如果需要使用這些函數，可以將文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN設為1，設為0表示不使用這些函數。
    OSTaskStkInit()函數由OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，需要傳遞的參數是任務代碼的起始地址、參數指針(pdata)、任務堆棧頂端的地址和任務的優先順序，用來初始化任務的堆棧，初始狀態的堆棧模擬發生一次中斷後的堆棧結構。堆棧初始化工作結束后，OSTaskStkInit()返回新的堆棧棧頂指針，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()將指針保存在任務的OS_TCB中。調用OSTaskStkInit()給任務做一個初始的任務上下文堆棧，形狀如圖3。
 
3.3 處理器相關部分彙編實現
    整個uC/OS II移植實現中，只需要提供一個彙編語言文件，提供幾個必須由彙編才能實現的函數。
a)OSStartHighRdy()
    該函數在OSStart()多任務啟動之後，負責從最高優先順序任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針sp，通過sp依次將CPU現場恢復，此時系統就將控制權交給用戶創建的該任務的進程，直到該任務被阻塞或者被其他更高優先順序的任務搶佔了CPU。該函數僅僅在多任務啟動時被執行一次，用來啟動第一個，也就是最高優先順序的任務執行。
b)OSCtxSw()
    該函數是任務級的上下文切換函數，在任務因為被阻塞而主動請求與CPU調度時執行，主要工作是先將當前任務的CPU現場保存到該任務堆棧中，然後獲得最高優先順序任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的CPU現場，使之繼續執行，從而完成一次任務切換。
C)OSIntExit()
    該函數是中斷級的任務切換函數，在時鐘中斷ISR中發現有高優先順序任務在等待時，需要在中斷退出后不返回被中斷的任務，而是直接調度就緒的高優先順序任務執行。其目的在於能夠儘快讓高優先順序的任務得到響應，保證系統的實時性能。
d)OSTickISR()
    該函數是時鐘中斷處理函數，主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優先順序任務，則需要在中斷級別上調度其執行。另外兩個相關函數是OSIntEnter()和OSIntExit()，都需要在ISR中執行。

4 測試
    至此代碼移植過程已經完成，下一步工作就是測試。測試一個象uC/OS II一樣的多任務實時內核並不複雜，甚至可以在沒有應用程序的情況下測試。換句話說，就是讓這個實時內核在目標板上跑起來，讓內核自己測試自己。這樣做有兩個好處：第一，避免使本來就複雜的事情更加複雜；第二，如果出現問題，可以知道問題出在內核代碼上而不是應用程序。剛開始的時候可以運行一些簡單的任務和時鐘節拍中斷服務常式。一旦多任務調度成功地運行了，再添加應用程序的任務就是非常簡單的工作了。

5 結束語
    採用基於ARM9的S3C2410嵌入式微處理器，可以使系統具備高性能的運算能力的同時便於與各種外設連接擴展，簡化了硬體設計，維持小型化的同時降低了系統成本。uC/OS II作為一個源代碼公開的操作系統，在具體應用中穩定可靠，並且支持uIP TCP/IP協議棧、ucGUI等，可擴展性強，功能強大。本系統采ARM9+uC/OS II開發設計，具有精度高、運行穩定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高的特點，可以在各種工業場合中廣泛應用，達到了設計的初衷。