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1、引言 嵌入式系統由于它具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點已經使它在許多領域得到廣泛的應用。從家里的洗衣機、電冰箱，到作為交通工具的自行車、小汽車，到辦公室里的遠程會議系統等。嵌入式系統通常由硬件環境和操作系統構成。在嵌入式操作系統的統一調度管理下實現對所有系統資源的合理利用和分配，達到提高系統性能和有效利用有限資源的目的。μCOS-Ⅱ作為一個源碼開放的嵌入式實時操作系統，同時具有良好的可移植性、可裁剪性、可剝奪性、穩定性和可靠性等優點，使其成為許多嵌入式操作系統的首選。本文將μCOS-Ⅱ在Freescale的8位處理器芯片HC9S08上移植實現。 2、μCOS-Ⅱ系統結構 μCOS-Ⅱ是一個完整的可移植可固化可裁剪的搶占式實時多任務內核。可以在不需要做很大修改的基礎上方便的移植到多種處理器上。條件是：該處理器要具有一定數量的堆棧，能夠使用軟件中斷，產生定時器中斷，此外，編譯器要支持可重入代碼，并且要能使用匯編實現對處理器內部寄存器的相關操作。通過μCOS-Ⅱ的管理，使多個任務之間相互協調，分時的占用CPU，實現充分利用資源和實時等相應的功能。 任務通常是一個死循環，用來完成某一特定的功能；一個任務相當于一個線程。μCOS-Ⅱ可以管理多達64個任務，每個任務都具有一個唯一的合法優先級。但是，優先級最低的那個任務已經被系統定義為空閑任務，用戶不能使用。用戶可以通過函數OSTaskCreate()來創建任務，通過OSTaskDel()來刪除任務。任務可能有以下五種狀態：睡眠態、就緒態、運行態、等待狀態、中斷服務態。利用不同的系統函數可以實現任務在各狀態之間的轉換。μCOS-Ⅱ通過對就緒表的操作總是選擇在就緒任務中優先級最高的那個任務開始運行。任務級的調度是由函數OSSched()來完成的；而中斷級的調度是由OSIntExt()完成的。任務切換的過程分為兩步：將被掛起任務的處理器寄存器狀態保存在它的任務堆棧中；將將要執行的任務堆棧中保存的寄存器值彈到處理器中，然后執行中斷返回指令。這樣新的任務就擁有了CPU，開始執行。直到它掛起，或者是被更高優先級的任務中斷。μCOS-Ⅱ就是在對各種任務的切換之間起協調作用的協調者。 3、HC9S08的硬件結構 每個HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個存儲器以及外設模塊組成。 HCS08 核主要包括： ①HCS08 CPU ②背景調試控制器(BDC) ③支持多達32個中斷/復位源 ④芯片級地址譯碼 HCS08CPU包括和M68HC08相同的寄存器。其中包括一個8位累加器(A)，一個可分別存取高8位和低8位的16位變址寄存器(HX)，一個16位棧指針(SP)，一個16 位程序計數器(PC)和一個狀態碼寄存器(CCR)，該CCR 包含5個處理器狀態標志(V，H，N，Z 和C)和全局中斷屏蔽標志(I)。HCS08核定義的5個主要的存儲空間。 直接頁寄存器主要包括I/O 端口寄存器和大部分的外設控制和狀態寄存器；RAM區的地址緊接在直接頁寄存器地址的后面并且向高地址延伸，堆棧空間就落在RAM中。一般將堆棧的棧頂初始化在RAM的高地址部分。和大部分的處理器一樣，HCS08的堆棧增長方向是向下的。高地址頁寄存器位于$1800到$182B之間，由于這些寄存器比直接頁寄存器的使用頻率要少的多，所以它們沒有安排在珍貴的直接頁地址空間中；FLASH存儲器分配64K字節的存儲空間最終分配到地址$FFFF。這一塊的起始地址取決于MCU有多少FLASH存儲空間；向量區是FLASH區的一部分，位于$FFC0-$FFFF中，但是它是單獨解碼的，所以當中斷向量取出時別的HCS08模塊可以識別出來。 4、μCOS-Ⅱ的移植 μCOS-Ⅱ絕大部分的代碼是用ANSI C編寫的，可移植性好。但是用戶在移植時還需要修改相應的幾個文件。與應用相關部分需要用戶根據自己實際應用的需要進行配置，與處理器相關的部分需要用戶根據不同處理器的結構修改相應的代碼，以使操作系統能夠準確的進行任務的切換等。主要需要修改的函數如下： 1.OS_CPU.H 它主要包括了用#define語句定義的、與處理器相關的常數、宏以及類型。比如：typedef unsigned char INT8U、#define OS_TASK_GROUTH 1以及如何處理臨界代碼段等。 2.OS_CPU_C.C 在這個文件中要求用戶編寫10個簡單的C函數，但是唯一必須要修改的是OSTaskInit();這個函數初始化堆棧，應該按照中斷時系統保護現場的進棧順序來初始化堆棧結構。對于HCS08系列單片機來說，當中斷發生時，依次進棧的是PCL、PCH、X、A、和CCR寄存器值。同時為了保證系統的穩定還把額外的一個變址寄存器H進棧，有時還要保存頁值。初始化完成后，將棧頂位置SP保存在任務控制塊TCB中。 3.OS_CPU_A.ASM 在這個文件中需要修改關鍵的四個函數。 (1)OSStartHighRdy() OSStart()函數調用它來是就緒任務中優先級最高的任務開始運行。這部分一般要求用戶把它轉化成匯編語言實現。本文中代碼如下： (2)任務級切換函數OSCtxSw() 主要通過執行軟中斷或TRAP來實現在任務級的切換功能。其中中斷向量指向OSCtxSw()函數的入口地址。在OSSched()的最后操作系統調用OS_TASK_SW執行軟中斷或TRAP指令，該指令找到對應的OSCtxSw()實現任務的切換。OSCtxSw()首先要保存當前運行任務的各寄存器狀態到自己的堆棧中，并且保存當前棧頂位置；然后找到將要運行的任務，并且把保存該任務堆棧中的寄存器彈到CPU內部寄存器中，執行中斷返回指令，這樣使CPU從新的任務處執行，直到下一個任務切換的到來。執行代碼如下： (3)中斷級任務切換函數OSIntCtxSw() 該函數在ISR中執行任務的切換功能。由于是在中斷中執行的，處理器的大部分寄存器值都已經自動保存在堆棧中了，所以該函數的大部分代碼都和OSCtxSw()相同，只是前半部分保存寄存器的功能不要了。 (4)OSTickISR()時鐘節拍服務函數μCOS-Ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源，來實現時間的定時和超時功能。這部分功能由該函數實現。這個函數首先保存寄存器的值，然后設置中斷標志、清中斷，再調用OSTimeTick()遞減延時計數，判斷是否要在中斷中切換任務，最后恢復處理器寄存器，執行中斷返回指令，返回到中斷處繼續執行。代碼如下： 5、結論 本文將μCOS-Ⅱ移植到8位系列單片機上，并且在MC9S08AW60上穩定的運行，有效提高了該系統的性能，充分利用系統資源，使系統的實時性能得到很大的提高，開闊了應用范圍。同時，作者也將該系統在HCS08的另外兩款單片機MC9S08QE128和MC9S08GB60上移植實現。 |
