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介紹源代碼公開的實時操作系統(tǒng)μC／OS-II的特點、內(nèi)核結(jié)構(gòu)及ADSP—BF53l的硬件特征，同時給出將μC／0S-II移植到ADSP-BF531型數(shù)字信號處理器上的詳細(xì)步驟和關(guān)鍵代碼。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛，對人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。通常，嵌入式系統(tǒng)的軟件部分都應(yīng)用了實時操作系統(tǒng)(簡稱RTOS)，在特定的RTOS之上開發(fā)應(yīng)用軟件，可以讓程序開發(fā)人員屏蔽掉許多底層硬件細(xì)節(jié)，提高軟件功能設(shè)計效率，簡化開發(fā)難度，同時使得程序調(diào)試方便，移植簡單，易維護，大大縮短開發(fā)周期，RTOS也因此越來越受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞。目前實時操作系統(tǒng)很多，如VxWorks、Windows CE、pSOS等，但這些軟件的價格和使用成本(版權(quán)費、維護費等)都十分昂貴，因此商業(yè)級RTOS軟件在使用上受到諸多的限制。而μC／OS-II則不同，它的源代碼是全部公開的，并且完全免費，是一個自由操作系統(tǒng)，程序開發(fā)人員可以改寫其中的源代碼使之符合自己的要求。由于其極強的可移植性和可裁減性，用戶可以根據(jù)自己的需要，裁剪掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧靈活，同時又能夠滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。μC／OS-II的可靠性完全可以與商業(yè)級RTOS軟件相媲美，因此筆者在移植過程中選用了這一實時操作系統(tǒng)。 1 ADSP—BF531的硬件特征 Blackfin系列中的ADSP—BF531型數(shù)字信號處理器是由ADl和Intel公司合作，針對音頻和視頻信號的編解碼、手持設(shè)備和移動通信設(shè)備而研發(fā)的16位定點處理器，是建立在微信號架構(gòu)基礎(chǔ)之上，集高性能數(shù)字信號處理器與微控制器于一身。ADSP-BF53l的內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)400MHz，處理器內(nèi)核中包含2個16位MAC、2個40位ALU及4個8位ALU。專門用于視頻信號的處理；還集成了許多片上外設(shè)，包括硬件UART、SPI接口、PPI接口、同步串口、看門狗電路、16個GPIO接口等。為了達(dá)到降低功耗的目的，該處理器具有多種工作模式，同時通過編程還可以動態(tài)改變處理器內(nèi)核的工作頻率和電壓．這些特性都為手持設(shè)備提供了絕佳的選擇。用戶可以利用ADI公司提供的VisualDSP++3.0(或更高版本)集成開發(fā)環(huán)境對處理器進(jìn)行編程、調(diào)試和開發(fā)。 2 實時操作系統(tǒng)介紹 μC／OS-II是一種專門為微處理器設(shè)計的占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、可移植性和可裁減性強、代碼可固化、穩(wěn)定性和可靠性高等特點。其內(nèi)核主要提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理等服務(wù)，系統(tǒng)最多可以支持64個任務(wù)(8個留于系統(tǒng))，每個任務(wù)均有自己獨立的優(yōu)先級。由于內(nèi)核為占先式的，因此總是運行優(yōu)先級最高的任務(wù)。系統(tǒng)提供了豐富的函數(shù)可供調(diào)用，實現(xiàn)任務(wù)間的通信和切換。μ／OS-II的大部分代碼都是使用標(biāo)準(zhǔn)的A-NIS C編寫的．只有與處理器相關(guān)的一部分代碼使用匯編語言．因此具有極強的移植性，在大多數(shù)8位、16位和32位處理器上都能穩(wěn)定的運行。 圖1示出μC／OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，要實現(xiàn)μC／OS-II的移植，必須為其編寫OS_CPU.H、0S_CPU_C．C和OS_CPU_A.ASM 3個文件，這3個文件都與處理器的硬件特性相關(guān)，提供任務(wù)切換和系統(tǒng)時鐘功能。其余源文件的代碼都是公開的，可以直接從μC／OS-II的官方網(wǎng)站下載。 3 對編譯器的要求 雖然μC／OS-II具有很強的移植性，但在移植時，對處理器的編譯器有如下幾點要求： 處理器的C編譯器能夠產(chǎn)生可重人代碼； 用C語言可以打開和關(guān)閉中斷； 處理器支持中斷，并且能夠產(chǎn)生定時中斷； 處理器能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧； 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧空間或內(nèi)存中的指令。 ADSP-BF531型處理器的集成開發(fā)環(huán)境Visu-al++3.0通過關(guān)鍵字asm能在C代碼中嵌入?yún)R編語言，同時內(nèi)核定時器可以為系統(tǒng)提供定時中斷，總數(shù)量達(dá)20kbyte的片上數(shù)據(jù)RAM和SP、FP、USP 3個堆棧指針寄存器為操作系統(tǒng)各任務(wù)提供了豐富的硬件堆棧空間及對堆棧的方便操作。筆者正是在這些基礎(chǔ)上利用Visual++3.0編譯環(huán)境成功地完成了對ADSP-BF531處理器的μC／OS-II移植。 4 移植μJLC／OS-II 4.1重定義OS_CPIJ．H文件 4.1.1與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型 不同的處理器有不同的字長，μC／OS-II不使用C的short、int、long等與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，而是重新定義了一系列類型以確保系統(tǒng)的可移植性，在系統(tǒng)移植時必須在OS_CPU．H頭文件中對這些數(shù)據(jù)類型重新定義，具體內(nèi)容如下： typedef unsigned char BOOLEAN typedef unsigned char INT8U typedef signed char INT8S typedef unsigned short INTl6U typedef signed short INTl6S typedef unsigned int INT32U typedef signed int INT32S μC／OS-II中的指針根據(jù)處理器堆棧數(shù)據(jù)入口寬度定義為OS_STK類型： typedef unsigned int OS_STK 4.1.2臨界代碼 RTOS在進(jìn)入系統(tǒng)臨界區(qū)之前都必須先關(guān)中斷，退出后再開中斷，μC／OS-II定義了2個宏指令來關(guān)閉／打開中斷： #define OS_ENTER_CRITICAL0 asm(“cli％O：”：”=d”(InterrupLach)) #define OS_EXIT_CRITICAL() asm(“sti％0：”：：”=d”(InterrupLaeh)) 其中InterrupLaeh為一全局變量，用于開關(guān)中斷時 IMASK寄存器內(nèi)容的恢復(fù)和保存。 4.1.3堆棧增長方向設(shè)定 在OS CPU．H頭文件中還必須根據(jù)處理器堆棧的增長方向?qū)S_STK_GROWTH進(jìn)行宏定義，由于ADSP-BF531是按照由高地址到低地址的結(jié)構(gòu)組織處理器堆棧，因此宏定義如下： #define OS_STK_GROWTH 1 4.1.4 OS_TASK_SW0宏定義 OS_TASK_SW0在μC／OS-II從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)時被調(diào)用，定義如下： #define OS_TASK_sw() asm(“raise 13；”) 4.2編寫OS_CPU_C．C文件 μC／OS-lI的移植要求用戶在OS_CPU_C．C文件中編寫6個簡單的C函數(shù)，其中主要是完成OS-TaskStkInit ()，其余5個函數(shù)可以不作處理。OS-TaskStkInit()負(fù)責(zé)任務(wù)堆棧的初始化，使得任務(wù)堆棧看起來就像剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。不同的編譯器在函數(shù)調(diào)用時有不同的入棧方法，因此在具體實現(xiàn)時必須根據(jù)處理器的編譯環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。VisualDSP++3.0在函數(shù)調(diào)用時的堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。 OSTaskStkInit()調(diào)用時需要傳遞任務(wù)代碼起始地址(task)、用戶參數(shù)指針(pdata)、任務(wù)堆棧頂端的地址(堆棧棧頂指針ptos)、返回參數(shù)為新任務(wù)堆棧棧頂指針，函數(shù)原型如下： void OSTaskStkInit() {OS_STK*stk； stk=(void *)ptos； opt=opt； *stk--=fINT32U)pdata；／／用戶數(shù)據(jù)區(qū) *stk--=fINT32U)(task)；／／RETI寄存器 *stk--=fINT32U)ptos；／／FP寄存器 (由于需要入棧的寄存器數(shù)量比較多，限于篇幅，在此省略其中多數(shù)) *stk--=fINT32U)0； ／／SEQSq、AT寄存器 *stk--=fINT32U)0；／／ASTAT寄存器 retum((void*)stk)；} 任務(wù)建立時調(diào)用該函數(shù)對新建任務(wù)的堆棧進(jìn)行初始化，初始化后的堆棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。 4.3編寫OS_CPU_A．ASM文件 μC／OS-II移植的最后還需要用戶編寫4個重要的匯編函數(shù)，包括OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()及OSTickISR()。分別介紹如下： 4.3.1 OSStartltighRdy()函數(shù) 該函數(shù)由OSStart()調(diào)用，用以運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，其運行過程：調(diào)用用戶定義的OS-TaskSwHook()數(shù)→獲取任務(wù)堆棧指針→置位全局 變量0SRunning 出棧CPU寄存器 中斷返回。在ADSP-BF531中的實現(xiàn)如下： _OSStartHighRdy： call_OSTaskSwHook； p0.1=_OSTCBHighRdy； p0.h=_0STCBHighRdy； pl=[p0]； ssync； sp=[p1]； p0.1=_OSRunning； p0.h=_OSRunning； r0=TRUE； [p0]=r0; ASTAT=[sp++]； SEQSTAT=[sp++]； FP =[sp++]； RETI=[sp++； rti； 4.3.2 OSCtxSw()函數(shù) 實時操作系統(tǒng)內(nèi)任務(wù)級的切換是通過處理器的軟中斷實現(xiàn)的，并且軟中斷服務(wù)例程的向量地址必須指向OSCtxSw()函數(shù)，因此該函數(shù)的匯編程序代碼如下： _OSCtxSw： [--sp]=RETI； [--sp]=FP； [--sp]=SEQTAT； [--sp]=ASTAT； p0.1=_OSTCBCur； p0.h=_OSTCBCur； pl=[p0]； ssync； [pl]=sp； call_OSTaskSwHook； p0.1 =_OSPrioHighRdy； p0.h=_OSPrioHighRdy； r0=[p0]； p0.1=_0SPrioCur； p0.h=_OSPrioCur； [p0]=r0； p0.1=_OSTCBHighRdy； p0.h=_OSTCBHighRdy； pl=[p0]； rO=[p0]； ssync； sp=[p1]； p0.1=_OSTCBCur； p0.h=_OSTCBCur； [p0]：r0； 、 ASTAT=[sp++]； SEQSTAT=[sp++]； FP：[SP++]； RETI=[sp++]； rti； 4.3.3 OSIntCtxSw()函數(shù) OSIntCtxSw()用于實現(xiàn)中斷級任務(wù)切換，由于該函數(shù)在中斷服務(wù)程序中調(diào)用，因此在函數(shù)代碼中不需要寄存器入棧，但堆棧結(jié)構(gòu)中還包含了一些用戶不需要的函數(shù)調(diào)用返回地址，因此該函數(shù)必須在最初清理堆棧(調(diào)整堆棧指針的位置)，其匯編程序代碼如下： _OSIntCtxSw： p0=20； sp=sp+p0； p0.1=_OSTCBCur； p0.h=_OSTCBCur； pl=[p0]； ssync； [p1]=sp； call_OSTaskSwHook； p0.1=_OSPrioHighRdy； p0.h=_OSPrioHighRdy； r0=[p0]； p0.1=_OSPrioCur； p0.h=_OSPfioCur； [po]=10； p0.1=_OSTCBHighRdy； p0.h=_OSTCBHighRdy； pl=[p0]； r0=[p0]； ssync； sp=[p1]； p0.1=_OSTCBCur； p0.h=_0STCBCur； [po]=r0； ASTAT=[sp++]； SEQSTAT=[sp++]； FP =[sp++]； RETI=[sp++]； rti； 4.3.4 OSTicklSR()函數(shù) μ,C／OS-II要求用戶提供一個時鐘資源來實現(xiàn)時間的延時和期滿功能。筆者在移植過程中使用內(nèi)核定時器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍，并通過定時器中斷服務(wù)例程OSTickISR0實現(xiàn)任務(wù)切換等功能，該函數(shù)的匯編程序代碼如下： _OSTicklSR： [--sp]=RETI； [--sp]=FP； [--sp]=SEQTAT； [--sp]=ASTAT； call_OSIntEnter； call_OSTimeTick； call_OSIntExit； ASTAT=[sp++]； SEQSTAT=[sp++]； FP =[sp++]； RETI=[sp++]； rti； 4.4程序下載及調(diào)試 完成以上文件的修改和編寫之后。就可在Vi-sualDSP++3．0環(huán)境中對所有的源文件進(jìn)行編譯和連接，生成處理器可執(zhí)行的．dxe文件，通過JTAG直接下載到處理器內(nèi)核的程序區(qū)運行。由于VisualD-SP++3．0提供了強大的調(diào)試功能，用戶能夠很清楚地了解μC／OS--II在處理器內(nèi)的運行情況，這無疑也對μC／OS-Ⅱ向ADSP—BF531移植提供了強大的支持。 5 結(jié)束語 詳細(xì)介紹了向ADSP—BF531型處理器移植μC／OS-II實時操作系統(tǒng)的步驟和與處理器相關(guān)函數(shù)的代碼編寫，并成功地進(jìn)行移植。通過測試，實時操作系統(tǒng)各任務(wù)之間的調(diào)用、中斷處理、任務(wù)之間的通信等都能夠穩(wěn)定的運行。μC／OS-II實時操作系統(tǒng)的使用。將程序員從冗繁的流程圖中解放出來，使得應(yīng)用程序的設(shè)計過程大大簡化，并且程序的可讀性、擴展性、可靠性也得到了很大的改善。 |
