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實時嵌入式操作系統μC／OS-II在MPC555上的移植
摘要：介紹了實時操作系統μC／OS-II的特點和內核結構，并首次實現了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應用方法。關鍵詞：μC/OS-II MPC555 嵌入式操作系統 移植
μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務、移植性非常強的免費微控制器嵌入式實時操作系統，從１９９２年出現以來，已在照相機、發動機控制和工業機器人等多種領域中得到應用。它一方面相對ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出來的ＥＯＳ更小巧且移植方便，實時性更好，更適合工業控制領域應用；另一方面由于是免費的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業實時ＥＯＳ大大節省成本，非常適用于開發實用簡約的嵌入式控制程序。
摩托羅拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ體系結構上，采用ＲＩＳＣ技術的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內嵌增加了浮點單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內Ｆｌａｓｈ、一個ＱＳＭＣＭ（串行通訊模塊）、兩個ＴｏｕＣＡＮ模塊、兩個ＴＰＵ、一個ＭＩＯＳ（模塊化Ｉ／Ｏ系統）、兩個ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達４０ＭＨｚ。另外芯片體積小，僅為２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有這些特性使其特別適用于汽車等現場控制領域的嵌入式微控制系統。
將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車用控制器上的應用，其成果也可以用于其他嵌入式工業控制領域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５編譯調試環境。
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１ 移植原理
μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務管理、時間管理、任務之間通信管理和內存管理五方面功能。其結構共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個文件。該層完成系統時鐘的設置、出入中斷的管理和任務切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時間管理、任務調度管理、任務間的通信管理和內存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無關，它為用戶應用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務兩個處理級別，用戶可以建立自己的任務，編寫必要的中斷子程，在任務之間或任務與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫。根據以上結構特點，在移植過程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結構做相應改動，使其完成系統時鐘設置、中斷管理和任務切換功能即可。
在前后臺系統中，提供一個ＣＰＵ堆棧。發生中斷時，將當前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現場，執行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復現場。
在多任務系統μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創建時，為每個任務建立并初始化一個堆棧。當發生中斷或任務切換時，把當前任務運行現場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務的堆棧中。當某個任務需要從就緒狀態激活到運行狀態時，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務的堆棧中彈出。這樣，每個任務分時占用ＣＰＵ。而對各任務來說，每次進入運行態時，ＣＰＵ狀態都與上次從運行態退出時完全一樣。所以不再是使用一個ＣＰＵ堆棧，而是多個任務將各自的運行現場保存到自己的堆棧中。
圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖
另外，調用Ｃ函數時也會使用到堆棧，此時編譯器會創建一個堆棧；在Ｃ函數返回時，將其釋放。其大小因Ｃ函數使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時，能夠正確創建、初始化、保存并恢復各個任務的堆棧，是確保ＯＳ任務切換和中斷管理順利完成的關鍵。
ＭＰＣ５５５有３２個３２ｂｉｔ通用定點數寄存器，３２個６４ｂｉｔ浮點數寄存器，另有９個控制／狀態寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結構，設計如表１的堆棧結構。每次任務環境入棧時創建一含７３個位置的堆棧，為了保證浮點數寄存器的完整，每個位置為６４ｂｉｔ寬。創建任務時，建立該堆棧結構，并用默認值對其進行初始化。在任務保存或激活時把寄存器的值保存到堆棧中相應位置，或者從堆棧的相應位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時，要注意控制好ＳＰ。
表1 堆棧結構表
328
320～80
72
64
56
48
40
32
24
16
8
0 FP31～FP0
FPSCR
GPR31～GPR0
DAR
CTX
LR
XER
CR
SRR1
SRR0
MSR
SP（GPR1）
73～42
41
40～10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 0.0
0x000020FC0000
0x0
0x00
0x00
task*0x100000000[1]
0x00
0x00
0x0000B00200000000
task*0x100000000[1]
0x0000B00200000000
0
注：堆棧所屬任務代碼入口地址
２ 中斷管理
首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中斷結構。在ＭＰＣ中有新的概念——異常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出現，包括中斷、總線錯誤、指令錯誤、系統調用異常、實時中斷異常和復位等。ＭＰＣ為異常提供了異常向量表。該表為每個異常提供一個２５６字節的異常處理代碼空間。
所有外部中斷和Ｉ／Ｏ子模塊產生的中斷共同作為異常的一種，占用異常向量表中的一個位置。在該異常處理程序中，軟件需根據中斷狀態寄存器的值判斷到底發生了哪個中斷并進行相應處理。
在每次發生異常時，ＭＰＣ自動將主狀態寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中，將程序指針ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；然后ＰＣ指針指向該異常在異常向量表中的起始位置，進入異常處理程序。每次異常返回時，調用ｒｆｉ指令，系統自動將ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，將ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序從ＳＲＲ０指向的位置繼續執行。在發生異常和異常返回之間，不自動允許新的異常和中斷。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允許異常，在適當的時候允許中斷。
μＣ／ＯＳ－ＩＩ的異常處理過程中，用戶及ＯＳ與硬件無關的代碼完成圖２中①、②、③、④、⑤這五個步驟。依次完成以下任務：①給ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加１或調用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系統已進入中斷；②分析中斷源調用相應中斷處理子程；③在該中斷處理子程中完成清中斷源；④進行其他中斷處理；⑤調用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判斷是否有更高優先級的任務被激活而需要進行任務調度，若不需要，則直接從中斷返回；若需要，則調用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中斷級任務調度。
移植中，為了在ＭＰＣ５５５上實現上述中斷處理過程，需編寫與硬件相關代碼，為以上思路提供三個接口函數：進入中斷、退出中斷和中斷級任務調度。根據ＭＰＣ５５５的編程結構，設計的完整中斷程序流程如圖２。虛框Ⅰ部分寫在異常向量表中每個異常的處理代碼空間中，依次調用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三個函數。
其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函數為①到⑤步中斷處理子程提供調用接口。
虛框Ⅱ中為與硬件相關的函數Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它將發生中斷時所有寄存器保存到當前任務的堆棧中，并處理ＣＰＵ狀態。是ＯＳ進入中斷的接口函數。
虛框Ⅲ中為與硬件相關的函數Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它從當前任務（可能是中斷發生時的任務，也可能是新的被激活的任務）堆棧中恢復所有ＣＰＵ寄存器，并從中斷返回，是ＯＳ退出中斷的接口函數。
虛框Ⅳ中為與硬件和編譯器相關的函數ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它將新的高優先級就緒態任務調整為當前任務，完成中斷級任務調度，隨后調用Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）退出中斷，進入新的被激活的任務。應注意，在中斷級任務調度過程中，①、⑤兩處Ｃ函數被調用后不需要返回，所以需要將堆棧指針ＳＰ向下做適當調整，以丟棄這兩個函數調用時編譯器產生的堆棧。Ｃ函數調用時，產生堆棧的大小與編譯器相關，因此應根據編譯器產生的代碼決定此處丟棄堆棧的大小。為保證異常時需要丟棄的堆棧大小不變，可使用圖２中的方法，在異常處理時另外調用函數完成步驟③、④，以確保不同異常處理過程中，①、⑤兩處Ｃ函數被調用時，編譯器建立的堆棧大小一致。
３ 任務切換
μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任務調度由函數ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６系統上，ＯＳＳｃｈｅｄ?穴?雪在獲得當前新的最高優先級的任務指針后，調用ＣＰＵ軟中斷完成任務切換。
在ＭＰＣ５５５上，可以用系統調用異常處理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替軟中斷。該異常處理程序如圖３所示，完成以下三個步驟：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中將當前任務運行環境保存到當前任務的堆棧中；②調用任務級調度函數ＯＳＣｔｘＳｗ（），將新的高優先級就緒態任務調整為當前任務；③從新任務堆棧中彈出所有寄存器的值，恢復中斷，完成任務切換。其中①、③兩部分代碼與中斷管理程序相同，不需要重新編寫，只需編寫函數ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任務指針的切換工作。
任務切換過程不可以被打斷，所以，上述過程中始終不能打開中斷。
４ 時鐘管理
μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系統初始化后，開始一個系統時鐘節拍，它是ＯＳ系統的時間基準。該時鐘節拍一般由時間中斷產生。ＭＰＣ５５５中可產生時間節拍的模塊有很多，本次移植選用ＤＥＣ異常。因為它與外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高ＯＳ的穩定性。
ＤＥＣ時鐘同步于ＴＭＢＣＬＫ，其頻率可選，本次移植設置為２．５ＭＨｚ。代碼在時鐘初始化和每次進入ＤＥＣ異常時，將ＤＥＣ計數器設置為２．５Ｍ／ＯＳ＿
ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，這樣，可使ＯＳ每秒種產生ＯＳ＿ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ個時鐘節拍。
５ 應用方法
在使用移植后的ＯＳ時，用戶需要編寫自己的主程序ｍａｉｎ（），其流程如圖４。在適當的初始化后即可啟動ＯＳ。
另外，用戶需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務中啟動時鐘節拍，調用ＯＳＳｔａｔＩｎｉｔ（）函數初始化統計任務，創建所需的其他任務，最后調用ＯＳＴａｓｋＤｅｌ（）函數刪除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任務自己。ＯＳ在該函數調用結束后，會自動允許異常和中斷，ＯＳ正常運轉，不斷調度任務，響應中斷。
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