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介紹源代碼公開的實時操作系統μC／OS-II的特點、內核結構及ADSP—BF53l的硬件特征，同時給出將μC／0S-II移植到ADSP-BF531型數字信號處理器上的詳細步驟和關鍵代碼。 隨著計算機技術的發(fā)展，嵌入式系統的應用愈來愈廣泛，對人們的生活產生了巨大的影響。通常，嵌入式系統的軟件部分都應用了實時操作系統(簡稱RTOS)，在特定的RTOS之上開發(fā)應用軟件，可以讓程序開發(fā)人員屏蔽掉許多底層硬件細節(jié)，提高軟件功能設計效率，簡化開發(fā)難度，同時使得程序調試方便，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開發(fā)人員的青睞。目前實時操作系統很多，如VxWorks、Windows CE、pSOS等，但這些軟件的價格和使用成本(版權費、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，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，用戶可以根據自己的需要，裁剪掉不需要的部分，使操作系統變得小巧靈活，同時又能夠滿足用戶特定操作系統的需要。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。 1 ADSP—BF531的硬件特征 Blackfin系列中的ADSP—BF531型數字信號處理器是由ADl和Intel公司合作，針對音頻和視頻信號的編解碼、手持設備和移動通信設備而研發(fā)的16位定點處理器，是建立在微信號架構基礎之上，集高性能數字信號處理器與微控制器于一身。ADSP-BF53l的內核工作頻率最高可達400MHz，處理器內核中包含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，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)改變處理器內核的工作頻率和電壓．這些特性都為手持設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)境對處理器進行編程、調試和開發(fā)。 2 實時操作系統介紹 μC／OS-II是一種專門為微處理器設計的占先式實時多任務操作系統，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。其內核主要提供任務管理、內存管理、時間管理等服務，系統最多可以支持64個任務(8個留于系統)，每個任務均有自己獨立的優(yōu)先級。由于內核為占先式的，因此總是運行優(yōu)先級最高的任務。系統提供了豐富的函數可供調用，實現任務間的通信和切換。μ／OS-II的大部分代碼都是使用標準的A-NIS C編寫的．只有與處理器相關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的軟硬件體系結構。從圖中可以看出，要實現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，提供任務切換和系統時鐘功能。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編譯器能夠產生可重人代碼； 用C語言可以打開和關閉中斷； 處理器支持中斷，并且能夠產生定時中斷； 處理器能夠容納一定量數據的硬件堆棧； 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆�？臻g或內存中的指令。 ADSP-BF531型處理器的集成開發(fā)環(huán)境Visu-al++3.0通過關鍵字asm能在C代碼中嵌入匯編語言，同時內核定時器可以為系統提供定時中斷，總數量達20kbyte的片上數據RAM和SP、FP、USP 3個堆棧指針寄存器為操作系統各任務提供了豐富的硬件堆�？臻g及對堆棧的方便操作。筆者正是在這些基礎上利用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與編譯器相關的數據類型 不同的處理器有不同的字長，μC／OS-II不使用C的short、int、long等與編譯器相關的數據類型，而是重新定義了一系列類型以確保系統的可移植性，在系統移植時必須在OS_CPU．H頭文件中對這些數據類型重新定義，具體內容如下： 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中的指針根據處理器堆棧數據入口寬度定義為OS_STK類型： typedef unsigned int OS_STK 4.1.2臨界代碼 RTOS在進入系統臨界區(qū)之前都必須先關中斷，退出后再開中斷，μC／OS-II定義了2個宏指令來關閉／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，用于開關中斷時 IMASK寄存器內容的恢復和保存。 4.1.3堆棧增長方向設定 在OS CPU．H頭文件中還必須根據處理器堆棧的增長方向對OS_STK_GROWTH進行宏定義，由于ADSP-BF531是按照由高地址到低地址的結構組織處理器堆棧，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)先級任務切換到高優(yōu)先級任務時被調用，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，其中主要是完成OS-TaskStkInit ()，其余5個函數可以不作處理。OS-TaskStkInit()負責任務堆棧的初始化，使得任務堆�？雌饋砭拖駝偘l(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調用時有不同的入棧方法，因此在具體實現時必須根據處理器的編譯環(huán)境進行調整。VisualDSP++3.0在函數調用時的堆棧結構如圖2所示。 OSTaskStkInit()調用時需要傳遞任務代碼起始地址(task)、用戶參數指針(pdata)、任務堆棧頂端的地址(堆棧棧頂指針ptos)、返回參數為新任務堆棧棧頂指針，函數原型如下： void OSTaskStkInit() {OS_STK*stk； stk=(void *)ptos； opt=opt； *stk--=fINT32U)pdata；／／用戶數據區(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量比較多，限于篇幅，在此省略其中多數) *stk--=fINT32U)0； ／／SEQSq、AT寄存器 *stk--=fINT32U)0；／／ASTAT寄存器 retum((void*)stk)；} 任務建立時調用該函數對新建任務的堆棧進行初始化，初始化后的堆棧結構如圖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，包括OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()及OSTickISR()。分別介紹如下： 4.3.1 OSStartltighRdy()函數 該函數由OSStart()調用，用以運行優(yōu)先級最高的就緒任務，其運行過程：調用用戶定義的OS-TaskSwHook()數→獲取任務堆棧指針→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 實時操作系統內任務級的切換是通過處理器的軟中斷實現的，并且軟中斷服務例程的向量地址必須指向OSCtxSw()函數，因此該函數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 OSIntCtxSw()用于實現中斷級任務切換，由于該函數在中斷服務程序中調用，因此在函數代碼中不需要寄存器入棧，但堆棧結構中還包含了一些用戶不需要的函數調用返回地址，因此該函數必須在最初清理堆棧(調整堆棧指針的位置)，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 μ,C／OS-II要求用戶提供一個時鐘資源來實現時間的延時和期滿功能。筆者在移植過程中使用內核定時器產生時鐘節(jié)拍，并通過定時器中斷服務例程OSTickISR0實現任務切換等功能，該函數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核的程序區(qū)運行。由于VisualD-SP++3．0提供了強大的調試功能，用戶能夠很清楚地了解μC／OS--II在處理器內的運行情況，這無疑也對μC／OS-Ⅱ向ADSP—BF531移植提供了強大的支持。 5 結束語 詳細介紹了向ADSP—BF531型處理器移植μC／OS-II實時操作系統的步驟和與處理器相關函數的代碼編寫，并成功地進行移植。通過測試，實時操作系統各任務之間的調用、中斷處理、任務之間的通信等都能夠穩(wěn)定的運行。μC／OS-II實時操作系統的使用。將程序員從冗繁的流程圖中解放出來，使得應用程序的設計過程大大簡化，并且程序的可讀性、擴展性、可靠性也得到了很大的改善。 |
