基于Cortex—M4內(nèi)核的μCOS—Ⅱ移植

江達(dá)飛

【摘 要】針對(duì)TI公司新推出的基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123G高性能低功耗芯片，詳細(xì)介紹了嵌入式開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ在芯片上的移植方法。根據(jù)移植的需求，首先介紹了芯片的一些基本功能以及相關(guān)的軟件開發(fā)環(huán)境，然后結(jié)合芯片的固有特性以及μCOS-Ⅱ移植的需求，使用C語言和匯編語言修改了相關(guān)的源文件，并詳細(xì)闡述了修改的原因。

【關(guān)鍵詞】Cortex-M4；μCOS-Ⅱ；TM4C123G；移植

0 引言

目前，嵌入式芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到我們的生活工作中，各種智能電子設(shè)備中都有他們的身影，例如智能冰箱、云電視、智能窗簾、掃地機(jī)器人等等。嵌入式處理器在所有的處理器市場(chǎng)中已經(jīng)占據(jù)了94%以上份額。在諸多的嵌入式芯片中，基于Cortex-M系列芯片以它高能效的兼容性以及易于使用性獲得了廣大開發(fā)者的青睞。

隨著芯片性能的提高，芯片所承擔(dān)的任務(wù)將變得更為復(fù)雜，與之前的MCU相比，嵌入式芯片可能需要同時(shí)運(yùn)行幾十個(gè)不同的任務(wù)，因此如何更有效的編寫應(yīng)用層軟件，管理眾多的硬件模塊以及滿足每一個(gè)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求已成了亟待解決的問題。使用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行嵌入式開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員需要在充分了解硬件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)程序，并直接在主程序中調(diào)用不同的驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成相關(guān)功能。然而，當(dāng)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)數(shù)量變多時(shí)，設(shè)計(jì)人員將很難保證每一個(gè)任務(wù)所需要的CPU資源。使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：它可以統(tǒng)一管理系統(tǒng)資源，讓開發(fā)人員從復(fù)雜的CPU資源分配中解脫出來，自動(dòng)調(diào)度多個(gè)不同任務(wù)程序，提高程序開發(fā)效率；將硬件與軟件剝離開來，減少軟件與硬件的直接相關(guān)度，提高系統(tǒng)的可靠性。

μC/OS-II由美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse設(shè)計(jì)開發(fā)，可被移植到多種微處理器中，它是一個(gè)可以裁剪的操作系統(tǒng)，通過設(shè)置os_cfg.h頭文件中的相關(guān)宏定義，可啟用或者禁用相關(guān)的功能。它擁占256個(gè)優(yōu)先級(jí)，是一個(gè)多任務(wù)搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)序號(hào)越低，其任務(wù)的優(yōu)先級(jí)就越高，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒，就會(huì)中斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。μC/OS-II已經(jīng)通過聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證，符合航空無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）DO-178B標(biāo)準(zhǔn)。

Cortex-M4處理器是ARM公司開發(fā)的新一代嵌入式處理器，在M3的基礎(chǔ)上，它新增了FPU、DSP和并行計(jì)算等功能，極大提高了運(yùn)算能力。本次移植使用了TI公司生產(chǎn)的TM4C123G芯片，其基于ARM Cortex M4F的內(nèi)核設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，浮點(diǎn)運(yùn)算符合IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，CPU位數(shù)32位，主頻最高可達(dá)80MHz，擁有低功耗模式， systick時(shí)鐘和嵌套向量中斷控制器NVIC，適用于μC/OS-II的移植。軟件使用了TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境。

1 μC/OS-II的移植

μC/OS-II v2.91的源代碼分為三個(gè)部分，其中第一部分文件放置在Configure文件夾中，用于配置/裁剪系統(tǒng)；另外一部分文件放在Source文件夾中，此部分程序是操作系統(tǒng)的核心文件，無需修改；最后一部分文件在Ports文件夾中，內(nèi)部包含OS_CPU.h、OS_CPU.c、OS_CPU_A.asm三個(gè)文件。在不同的芯片上使用μC/OS-II時(shí)，需要結(jié)合芯片的特性，對(duì)這三個(gè)文件進(jìn)行修改。

1.1 OS_CPU.h文件的移植

該頭文件定義了數(shù)據(jù)類型、處理器堆棧數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度、堆棧的增長(zhǎng)方向、任務(wù)切換的宏定義和臨界區(qū)訪問的處理方法。

由于不同的處理器其內(nèi)部一次所能處理的字長(zhǎng)不一致，因此對(duì)于不同的CPU來說，int，unsigned int等數(shù)據(jù)類型它的字長(zhǎng)可能是不同的，μC/OS-II為了保證可移植性，程序中自己定義了一套數(shù)據(jù)類型，例如使用INT32U表示無符號(hào)32位整形，TM4C123G是32位處理器，其unsigned int表示32位無符號(hào)整形，因此可以使用typedef將unsigned int定義為INT32U。然而，對(duì)于其它一些16位的處理器來說，unsigned int可能表示的是16位無符號(hào)整形，因此INT32U必須被定義為unsigned long型。

臨界段又被稱為關(guān)鍵代碼區(qū)，是指一小段代碼，同一時(shí)刻只能夠允許一個(gè)線程存取資源。在它能夠執(zhí)行前，必須獨(dú)占某些共享資源的訪問權(quán)，一旦線程進(jìn)入了臨界段，就意味著在這期間，其它想要獲得該共享資源訪問權(quán)的線程必須等待該線程處理完成，并釋放資源。這是讓若干行代碼能夠以原子操作方式來使用資源的一種方法。μC/OS-II是一個(gè)搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，在進(jìn)入和退出臨界段時(shí)需要關(guān)閉和打開中斷，它使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）這兩個(gè)宏來控制中斷打開或者關(guān)閉，并提供了三種方式：①直接通過使用指令_disable_interrupt（）和_enable_interrupts（）開關(guān)中斷；②將當(dāng)前的中斷狀態(tài)字壓至堆棧，然后再關(guān)閉中斷，當(dāng)中斷結(jié)束后，再將堆棧中的狀態(tài)字彈出；③保存當(dāng)前CPU狀態(tài)字至局部變量，然后關(guān)中斷，當(dāng)需要開中斷時(shí)，再將局部變量恢復(fù)至CPU寄存器中。使用前兩種方式會(huì)造成CPU在中斷前后狀態(tài)不一致，但第三種方式需要匯編指令支持。TM4C123G芯片使用Thumb-2指令集，支持MRS指令，可以將CPU狀態(tài)寄存器的值返回至通用寄存器中，因此可以使用第三種方式控制中斷。OS_CPU_SR_Save和OS_CPU_SR_Restore在.asm文件中定義，由于ARM編譯器默認(rèn)會(huì)將函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)傳送至R0通用寄存器，因此它們可以定義為：

OS_CPU_SR_Save

MRS R0， PRIMASK //保存CPU狀態(tài)寄存器

CPSID I //關(guān)中斷

BX LR

OS_CPU_SR_Restore

MSR PRIMASK， R0 //恢復(fù)CPU狀態(tài)寄存器

BX LR

堆棧增長(zhǎng)方向是指數(shù)據(jù)入棧時(shí)字節(jié)變量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)順序，Cortex-M4內(nèi)核支持的是“向下生長(zhǎng)的滿?！狈绞?，即堆棧SP指針在壓入一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，其值需要先被減去4，然后再存入新的數(shù)值。因此宏OS_STK_GROWT的值被設(shè)置為1。

1.2 OS_CPU.c文件的移植

OS_CPU.c文件中包含移植中可以在C語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的代碼。在該文件中，包含了多個(gè)hook鉤子函數(shù)、OSTaskStkInit（）任務(wù)堆棧初始化函數(shù)和Tmr_TickISR_Handler（）時(shí)鐘中斷服務(wù)函數(shù)，其中 OSTaskStkInit（）和Tmr_TickISR_Handler（）函數(shù)是移植能否成功的關(guān)鍵。

OSTaskStkInit（）在任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）函數(shù)中被調(diào)用，用于創(chuàng)建一個(gè)新的線程，因此，在剛開始，需要在堆棧中模擬一個(gè)線程剛被中斷的假象。在cortex-M4內(nèi)核中，當(dāng)系統(tǒng)被中斷時(shí)，xPSR，PC，LR，R12，R3～R0寄存器將被自動(dòng)保存至堆棧之中，R11～R4則在需要時(shí)，通過人工的方式進(jìn)行保存。另外由于cortex-M4包含浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU，如果該單元被啟用，則內(nèi)部的FPSCR，S0～S15寄存器也會(huì)自動(dòng)保存至堆棧中，S16～S31寄存器通過人工方式保存。為了模擬任務(wù)線程被中斷的場(chǎng)景，OSTaskStkInit（）的定義如下：

OS_STK *OSTaskStkInit（）

{

保存FPSCR及S15～S0寄存器；//保存FPU自動(dòng)保存的寄存器

保存xPSR，xPSR，PC，LR，R12，R3～R0等寄存器；//保存CPU自動(dòng)保存的寄存器

保存S16～S31寄存器；//保存FPU中需要人工保存的寄存器

保存R4～R11寄存器；//保存CPU中需要人工保存的通用寄存器

}

Tmr_TickISR_Handler（）是時(shí)鐘中斷函數(shù)，其內(nèi)部調(diào)用了μC/OS-II的節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTimeTick（），在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中起著”心臟“的作用。Tmr_TickISR_Handler（）可以使用通用時(shí)間定時(shí)器或者看門狗定時(shí)器，但在cortex-M4內(nèi)核中，單獨(dú)為RTOS提供了一個(gè)24位周期性定時(shí)器systick，使用它作為系統(tǒng)時(shí)鐘的優(yōu)勢(shì)是：所有基于ARM架構(gòu)的M3或是M4內(nèi)核，其內(nèi)部都會(huì)有一個(gè)systick定時(shí)器，這樣做方便了程序在不同的器件之間的移植。

1.3 OS_CPU_A.asm文件的移植

該文件中包含多個(gè)用于任務(wù)切換的關(guān)鍵函數(shù)，由于要涉及寄存器的保存與恢復(fù)，因此只能使用匯編語言實(shí)現(xiàn)。另外，由于使用CCS作為編譯環(huán)境，因此在文件的起始處，使用.global引入外部C文件聲明的函數(shù)，使用.def引出本文件中聲明的函數(shù)。

OSStartHighRdy（）函數(shù)的作用是啟動(dòng)第一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，它的工作過程分為以下五個(gè)步驟：①設(shè)置PendSV異常中斷的優(yōu)先級(jí)為最低。這樣能夠保證上下文切換是在沒有任何中斷需要被響應(yīng)時(shí)進(jìn)行的，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。②設(shè)置PSP進(jìn)程棧指針為0，指定是第一次任務(wù)切換。③設(shè)置OSRunning標(biāo)志位1，表示系統(tǒng)已開始運(yùn)行。④觸發(fā)PendSV中斷，實(shí)現(xiàn)上下文切換。⑤使能中斷。

OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）兩個(gè)函數(shù)的功能類似，都是完成任務(wù)的切換，不同的是一個(gè)是任務(wù)級(jí)的，一個(gè)是中斷級(jí)的，但由于是在cortex-M4上移植，所有的任務(wù)切換工作都在PendSV中斷函數(shù)中完成，以加快處理速度，因此這兩個(gè)函數(shù)的內(nèi)容是完全一致的，只要觸發(fā)PendSV中斷即可。

PendSV函數(shù)是完成任務(wù)切換的核心函數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)高低優(yōu)先級(jí)任務(wù)間的切換，該函數(shù)必須完成以下幾個(gè)操作：①獲取進(jìn)程堆棧指針PSP，如果是0則表示當(dāng)前是第一次任務(wù)切換，無需保存寄存器；②保存S16～S31寄存器，其它FPU寄存器系統(tǒng)將自動(dòng)保存；③保存R4～R11通用寄存器，其它CPU寄存器系統(tǒng)自動(dòng)保存；④將PSP指針保存至TCB中，令OSTCBStkPtr指針的值等于PSP；⑤調(diào)用OSTaskSwHook鉤子函數(shù)，在任務(wù)切換之前完成用戶需要完成的一些特定工作；⑥獲得當(dāng)前就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，并從相應(yīng)的TCB中獲得進(jìn)程堆棧指針；⑦根據(jù)獲取的堆棧指針，從相應(yīng)的堆棧中將S16～S31恢復(fù)至FPU中；⑧恢復(fù)R4～R11寄存器到CPU中，并執(zhí)行相應(yīng)的中斷返回指令。

2 總結(jié)

通過對(duì)基于cortex-M4內(nèi)核的TM4C123G芯片工作原理以及內(nèi)部寄存器研究，結(jié)合μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植的需求，正確配置了OS_CPU.h，OS_CPU.c，OS_CPU_A.asm三個(gè)文件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在M4內(nèi)核上的移植，實(shí)驗(yàn)表明，使用操作系統(tǒng)可以很好的控制TM4C123G開發(fā)板上LED燈的閃爍，證明移植是成功的。

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[責(zé)任編輯：湯靜]