相关热词搜索：
实时嵌入式操作系统μC／OS-II在MPC555上的移植
实时嵌入式操作系统μC／OS-II在MPC555上的移植 关键词：μC/OS-II MPC555 嵌入式操作系统 移植 μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一种占先式、多任务、移植性非常强的免费微控制器 嵌入式实时操作系统，从１９９２年出现以来，已在照相机、发动机控制和工业 机器人等多种领域中得到应用。它一方面相对ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出来的Ｅ ＯＳ更小巧且移植方便，实时性更好，更适合工业控制领域应用；另一方面由于 是免费的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商业实时ＥＯＳ大大节省成本，非常适用于 开发实用简约的嵌入式控制程序。
摩托罗拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构上，采用ＲＩ ＳＣ技术的一款高档、适用于精密控制的微控制器。其芯片内嵌增加了浮点单元 的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ静态ＲＡＭ、４４８ＫＢ片内Ｆｌａｓｈ、一 个ＱＳＭＣＭ（串行通讯模块）、两个ＴｏｕＣＡＮ模块、两个ＴＰＵ、一个Ｍ ＩＯＳ（模块化Ｉ／Ｏ系统）、两个ＱＡＤＣ模块，工作频率达４０ＭＨｚ。另 外芯片体积小，仅为２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有这些特性使其 特别适用于汽车等现场控制领域的嵌入式微控制系统。
将μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ －ＩＩ在车用控制器上的应用，其成果也可以用于其他嵌入式工业控制领域。本 次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５编译调试环境。
１ 移植原理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中断管理、任务管理、时间管理、任务之间通信管 理和内存管理五方面功能。其结构共分三层，如图１。Ｉ层为与处理器相关的代 码，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上为ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、 ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三个文件。该层完成系统时 钟的设置、出入中断的管理和任务切换功能，为第ＩＩ层提供接口。ＩＩ层包括 时间管理、任务调度管理、任务间的通信管理和内存管理四部分，是ＯＳ的主体 部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代码写成，与处理器无关，它为用户应用程序提供接 口。ＩＩＩ层是用户应用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中断和任务两个处理级 别，用户可以建立自己的任务，编写必要的中断子程，在任务之间或任务与中断 子程之间建立信号量、邮箱或消息队列完成控制器软件的编写。根据以上结构特 点，在移植过程中，只需将Ｉ层代码针对ＭＰＣ５５５的编程结构做相应改动，使其完成系统时钟设置、中断管理和任务切换功能即可。
在前后台系统中，提供一个ＣＰＵ堆栈。发生中断时，将当前使用到的寄 存器压入堆栈，保存现场，执行中断程序；
中断程序完成后，从ＣＰＵ堆栈中弹 出寄存器的值，恢复现场。
在多任务系统μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是这样。ＯＳ创建时，为每个任务建 立并初始化一个堆栈。当发生中断或任务切换时，把当前任务运行现场保存起来， 即将所有寄存器保存到该“旧”任务的堆栈中。当某个任务需要从就绪状态激活到 运行状态时，ＯＳ又需将所有寄存器从该“新”任务的堆栈中弹出。这样，每个任 务分时占用ＣＰＵ。而对各任务来说，每次进入运行态时，ＣＰＵ状态都与上次 从运行态退出时完全一样。所以不再是使用一个ＣＰＵ堆栈，而是多个任务将各 自的运行现场保存到自己的堆栈中。
图2 MPC555下uC/OS-II的中断处理流程图 另外，调用Ｃ函数时也会使用到堆栈，此时编译器会创建一个堆栈；
在Ｃ函 数返回时，将其释放。其大小因Ｃ函数使用到的变量和编译器的不同而不同。在 移植时，能够正确创建、初始化、保存并恢复各个任务的堆栈，是确保ＯＳ任务 切换和中断管理顺利完成的关键。
ＭＰＣ５５５有３２个３２ｂｉｔ通用定点数寄存器，３２个６４ｂｉｔ 浮点数寄存器，另有９个控制／状态寄存器。针对ＭＰＣ５５５的编程结构，设 计如表１的堆栈结构。每次任务环境入栈时创建一含７３个位置的堆栈，为了保 证浮点数寄存器的完整，每个位置为６４ｂｉｔ宽。创建任务时，建立该堆栈结 构，并用默认值对其进行初始化。在任务保存或激活时把寄存器的值保存到堆栈 中相应位置，或者从堆栈的相应位置把寄存器值弹出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作 为堆栈指针ＳＰ使用，在堆栈操作时，要注意控制好ＳＰ。
表1 堆栈结构表 注：堆栈所属任务代码入口地址 ２ 中断管理 首先，分析一下ＭＰＣ５５５的中断结构。在ＭＰＣ中有新的概念——异常（Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ）。它包含所有ＣＰＵ非正常事件的出现，包括中断、 总线错误、指令错误、系统调用异常、实时中断异常和复位等。ＭＰＣ为异常提 供了异常向量表。该表为每个异常提供一个２５６字节的异常处理代码空间。
所有外部中断和Ｉ／Ｏ子模块产生的中断共同作为异常的一种，占用异常 向量表中的一个位置。在该异常处理程序中，软件需根据中断状态寄存器的值判 断到底发生了哪个中断并进行相应处理。
在每次发生异常时，ＭＰＣ自动将主状态寄存器ＭＳＲ保存到ＳＲＲ１中， 将程序指针ＰＣ保存到ＳＲＲ０中；
然后ＰＣ指针指向该异常在异常向量表中的 起始位置，进入异常处理程序。每次异常返回时，调用ｒｆｉ指令，系统自动将 ＳＲＲ１中的值返回ＭＳＲ中，将ＳＲＲ０中的值返回ＰＣ中，即程序从ＳＲＲ ０指向的位置继续执行。在发生异常和异常返回之间，不自动允许新的异常和中 断。所以，程序需要在保存ＳＲＲ０和ＳＲＲ１后允许异常，在适当的时候允许 中断。
μＣ／ＯＳ－ＩＩ的异常处理过程中，用户及ＯＳ与硬件无关的代码完成 图２中①、②、③、④、⑤这五个步骤。依次完成以下任务：①给ＯＳＩｎｔＮ ｅｓｔｉｎｇ加１或调用ＯＳＩｎｔＥｎｔｅｒ（），通知ＯＳ，系统已进入中 断；
②分析中断源调用相应中断处理子程；
③在该中断处理子程中完成清中断 源；
④进行其他中断处理；
⑤调用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）判断是否有更高优先 级的任务被激活而需要进行任务调度，若不需要，则直接从中断返回；
若需要， 则调用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成中断级任务调度。
移植中，为了在ＭＰＣ５５５上实现上述中断处理过程，需编写与硬件相 关代码，为以上思路提供三个接口函数：进入中断、退出中断和中断级任务调度。
根据ＭＰＣ５５５的编程结构，设计的完整中断程序流程如图２。虚框Ⅰ部分写 在异常向量表中每个异常的处理代码空间中，依次调用Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）、 Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）和Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（）三个函数。
其中，Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ－Ｒｏｕｔｉｎｅ（）函数为①到⑤步中断处 理子程提供调用接口。
虚框Ⅱ中为与硬件相关的函数Ｐｒｏｌｏｇｕｅ（），它将发生中断时所 有寄存器保存到当前任务的堆栈中，并处理ＣＰＵ状态。是ＯＳ进入中断的接口 函数。虚框Ⅲ中为与硬件相关的函数Ｅｐｉｌｏｇｕｅ（），它从当前任务（可 能是中断发生时的任务，也可能是新的被激活的任务）堆栈中恢复所有ＣＰＵ寄 存器，并从中断返回，是ＯＳ退出中断的接口函数。
虚框Ⅳ中为与硬件和编译器相关的函数ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）。它将 新的高优先级就绪态任务调整为当前任务，完成中断级任务调度，随后调用Ｅｐ ｉｌｏｇｕｅ（）退出中断，进入新的被激活的任务。应注意，在中断级任务调 度过程中，①、⑤两处Ｃ函数被调用后不需要返回，所以需要将堆栈指针ＳＰ向 下做适当调整，以丢弃这两个函数调用时编译器产生的堆栈。Ｃ函数调用时，产 生堆栈的大小与编译器相关，因此应根据编译器产生的代码决定此处丢弃堆栈的 大小。为保证异常时需要丢弃的堆栈大小不变，可使用图２中的方法，在异常处 理时另外调用函数完成步骤③、④，以确保不同异常处理过程中，①、⑤两处Ｃ 函数被调用时，编译器建立的堆栈大小一致。
３ 任务切换 μＣ／ＯＳ－ＩＩ中的任务调度由函数ＯＳＳｃｈｅｄ（）完成。在Ｉｎ ｔｅｌ ８０ｘ８６系统上，ＯＳＳｃｈｅｄ穴雪在获得当前新的最高优先级的 任务指针后，调用ＣＰＵ软中断完成任务切换。
在ＭＰＣ５５５上，可以用系统调用异常处理程序“Ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌ ｌ Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ”代替软中断。该异常处理程序如图３所示，完成以下三 个步骤：①在ｐｒｏｌｏｇｕｅ（）中将当前任务运行环境保存到当前任务的堆 栈中；
②调用任务级调度函数ＯＳＣｔｘＳｗ（），将新的高优先级就绪态任务 调整为当前任务；
③从新任务堆栈中弹出所有寄存器的值，恢复中断，完成任务 切换。其中①、③两部分代码与中断管理程序相同，不需要重新编写，只需编写 函数ＯＳＣｔｘＳｗ（）完成任务指针的切换工作。
任务切换过程不可以被打断，所以，上述过程中始终不能打开中断。
４ 时钟管理 μＣ／ＯＳ－ＩＩ需要在系统初始化后，开始一个系统时钟节拍，它是Ｏ Ｓ系统的时间基准。该时钟节拍一般由时间中断产生。ＭＰＣ５５５中可产生时 间节拍的模块有很多，本次移植选用ＤＥＣ异常。因为它与外部中断使用不同的 异常向量，便于对异常事件的管理，有利于提高ＯＳ的稳定性。ＤＥＣ时钟同步于ＴＭＢＣＬＫ，其频率可选，本次移植设置为２．５Ｍ Ｈｚ。代码在时钟初始化和每次进入ＤＥＣ异常时，将ＤＥＣ计数器设置为２． ５Ｍ／ＯＳ＿ ＴＩＣＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ，这样，可使ＯＳ每秒种产生ＯＳ＿ＴＩＣ ＫＳ＿ＰＥＲ＿ＳＥＣ个时钟节拍。
５ 应用方法 在使用移植后的ＯＳ时，用户需要编写自己的主程序ｍａｉｎ（），其流 程如图４。在适当的初始化后即可启动ＯＳ。
另外，用户需在ＴａｓｋＳｔａｒｔ任务中启动时钟节拍，调用ＯＳＳｔ ａｔＩｎｉｔ（）函数初始化统计任务，创建所需的其他任务，最后调用ＯＳＴ ａｓｋＤｅｌ（）函数删除ＴａｓｋＳｔａｒｔ任务自己。ＯＳ在该函数调用结 束后，会自动允许异常和中断，ＯＳ正常运转，不断调度任务，响应中断。
