μCOS-II 在ARM 微處理器上的移植
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1． 了解UC/OS-II 內(nèi)核的主要結(jié)構(gòu)。
2． 掌握將UC/OS-II 內(nèi)核移植到ARM7 處理器上的基本方法。
二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1． 將UC/OS-II 內(nèi)核移植到ARM7 處理器上。
2． 按鍵盤(pán)上的任意鍵，在超級(jí)終端上顯示對(duì)應(yīng)的鍵值。
三、 預(yù)備知識(shí)
1． 掌握在ARM SDT 2.5 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)和調(diào)試程序的基本過(guò)程。
2． 會(huì)使用Source Insight 3 編輯C 語(yǔ)言源程序。
3． 了解ARM7 處理器的結(jié)構(gòu)。
4． 了解UC/OS-II 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具
硬件：ARM 嵌入式開(kāi)發(fā)板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機(jī)Pentumn100 以
上。
軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)win98、ARM SDT 2.51 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、仿真器驅(qū)動(dòng)程序、Source
Insight 3.0
五、 實(shí)驗(yàn)原理
所謂移植，指的是一個(gè)操作系統(tǒng)可以在某個(gè)微處理器或者微控制器上運(yùn)行。雖然μCOS-II
的大部分源代碼是用C 語(yǔ)言寫(xiě)成的，但是，仍需要用C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言完成一些與處理器
相關(guān)的代碼。比如：μCOS-II 在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)棣藽OS-II
在設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以，μCOS-II 的移植還是比較容易的[1]。
要使μCOS-II 可以正常工作，處理器必須滿足如下要求：
1． 處理器的C 編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。
可重入的代碼指的是一段代碼（比如：一個(gè)函數(shù)）可以被多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用，而不必?fù)?dān)
心會(huì)破壞數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，可重入型函數(shù)在任何時(shí)候都可以被中斷執(zhí)行，過(guò)一段時(shí)間以后又
可以繼續(xù)運(yùn)行，而不會(huì)因?yàn)樵诤瘮?shù)中斷的時(shí)候被其他的任務(wù)重新調(diào)用，影響函數(shù)中的數(shù)據(jù)。
下面的兩個(gè)例子可以比較可重入型函數(shù)和非可重入型函數(shù)：
程序1：可重入型函數(shù)
void swap(int *x, int *y)
{
int temp;
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;
}
程序2：非可重入型函數(shù)
int temp;
void swap(int *x, int *y)
{
temp=*x;
*x=*y;
*y=temp;

}
程序1 中使用的是局部變量temp 作為變量，通常的C 編譯器，把局部變量分配在棧中。
所以，多次調(diào)用同一個(gè)函數(shù)，可以保證每次的temp 互不受影響。而程序2 中temp 定義的是
全局變量，多次調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，必然受到影響。
代碼的可重入性是保證完成多任務(wù)的基礎(chǔ)，除了在C 程序中使用局部變量以外，還要C
編譯器的支持。筆者使用的是ARM SDT 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以生成可重入的代碼。
2． 在程序中可以打開(kāi)或關(guān)斷中斷。
在μCOS-II 中，可以通過(guò)OS_ENTER_CRITICAL()或者OS_EXIT_CRITICAL()宏來(lái)控制
系統(tǒng)關(guān)閉或者打開(kāi)中斷。這需要處理器的支持。在ARM7TDMI 的處理器上，可以設(shè)置相應(yīng)
的寄存器來(lái)關(guān)閉或者打開(kāi)系統(tǒng)的所有中斷。
3． 處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷（通常在10Hz~1000Hz 之間）。
μCOS-II 是通過(guò)處理器產(chǎn)生的定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間的調(diào)度的。在
ARM7TDMI 的處理器上可以產(chǎn)生定時(shí)器中斷。
4． 處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)（可能是幾千字節(jié)）的硬件堆棧。
5． 處理器有將堆棧指針和其他CPU 寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。
移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：
1． 用#define 設(shè)置一個(gè)常量的值（OS_CPU.H）。
2． 聲明10 個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型（OS_CPU.H）。
3． 用#define 聲明三個(gè)宏（OS_CPU.H）。
4． 用C 語(yǔ)言編寫(xiě)六個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)（OS_CPU_C.C）。
5． 編寫(xiě)四個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)（OS_CPU_A.ASM）。
μCOS-II 進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的時(shí)候，會(huì)把當(dāng)前任務(wù)的CPU 寄存器存放到此任務(wù)的堆棧中，
然后，再?gòu)牧硪粋€(gè)任務(wù)的堆棧中恢復(fù)原來(lái)的工作寄存器，繼續(xù)運(yùn)行另一個(gè)任務(wù)。所以，寄存
器的入棧和出棧是μCOS-II 多任務(wù)調(diào)度的基礎(chǔ)。
在移植過(guò)程中，INCLUDES.H 使得用戶項(xiàng)目中的每個(gè).C 文件不用分別去考慮它實(shí)際上
上需要那些頭文件。使用INCLUDES.H 的唯一缺點(diǎn)是，它可能會(huì)包括一些實(shí)際不相關(guān)的頭
文件。這意味著每個(gè)文件的編譯時(shí)間可能會(huì)增加。但由于它增強(qiáng)了代碼的可移植性，所以我
們還是決定使用這一方法。用戶可以通過(guò)編輯INCLUDES.H 來(lái)增加自己的頭文件，但用戶
的頭文件必須添加在頭文件列表的最后。

uC/OS 硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)
六、 實(shí)驗(yàn)步驟
1． 設(shè)置OS_CPU.H 中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼
/********************************************************************
*
* 與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型
*********************************************************************
/
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U; //8 位無(wú)符號(hào)整數(shù)
typedef signed char INT8S; //8 位有符號(hào)整數(shù)
typedef unsigned int INT16U; //16 位無(wú)符號(hào)整數(shù)
typedef signed int INT16S; //16 位有符號(hào)整數(shù)
typedef unsigned long INT32U; //32 位無(wú)符號(hào)整數(shù)
typedef signed long INT32S; //32 位有符號(hào)整數(shù)
typedef float FP32; //單精度浮點(diǎn)數(shù)

typedef double FP64; //雙精度浮點(diǎn)數(shù)
typedef unsigned int OS_STK; //堆棧入口寬度為16 位
#define BYTE INT8S //字節(jié)型
#define UBYTE INT8U //為了與 uC/OS V1.xx.
兼容
#define WORD INT16S // ... uC/OS-II.
#define UWORD INT16U
#define LONG INT32S
#define ULONG INT32U
/********************************************************************
* 與 ARM 處理器相關(guān)的代碼
********************************************************************/
#define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt() /*關(guān)閉中斷*/
#define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt() /*開(kāi)啟中斷*/
/* 設(shè)施堆棧的增長(zhǎng)方向 */
#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)*/
2． 用C 語(yǔ)言編寫(xiě)六個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU_C.C）
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd),void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
{
unsigned int *stk;
opt = opt; /* 因?yàn)?opt' 變量沒(méi)有用到，防止編譯器產(chǎn)生警告*/
stk = (unsigned int *)ptos; /*裝載堆棧指針*/
/* 為新任務(wù)創(chuàng)建上下文 */
*--stk = (unsigned int) task; /* pc */
*--stk = (unsigned int) task; /* lr */
*--stk = 0; /* r12 */
*--stk = 0; /* r11 */
*--stk = 0; /* r10 */
*--stk = 0; /* r9 */
*--stk = 0; /* r8 */
*--stk = 0; /* r7 */
*--stk = 0; /* r6 */
*--stk = 0; /* r5 */
*--stk = 0; /* r4 */
*--stk = 0; /* r3 */
*--stk = 0; /* r2 */
*--stk = 0; /* r1 */
*--stk = (unsigned int) pdata; /* r0 */

*--stk = (SVC32MODE|0x0); /* cpsr IRQ, 關(guān)閉FIQ */
*--stk = (SVC32MODE|0x0); /* spsr IRQ, 關(guān)閉FIQ */
return ((void *)stk);
}
void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告
}
void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告
}
void OSTaskSwHook (void)
void OSTaskStatHook (void)
void OSTimeTickHook (void)
后5 個(gè)函數(shù)為鉤子函數(shù)，可以不加代碼。
3． 用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)四個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU.ASM）
（1）OSStartHighRdy（）；運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)
LDR r4, addr_OSTCBCur ; 得到當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址
LDR r5, addr_OSTCBHighRdy ; 得到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB 地址
LDR r5, [r5] ;得到堆棧指針
LDR sp, [r5] ;切換到新的堆棧
STR r5, [r4] ; 設(shè)置新的當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址
LDMFD sp!, {r4}
MSR SPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r4} ; 從棧頂?shù)玫叫碌穆暶?br>MSR CPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r0-r12, lr, pc } ; 開(kāi)始新的任務(wù)
END
（2）OSCtxSw（）；任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)
STMFD sp!, {lr} ; 保存PC 指針
STMFD sp!, {lr} ; 保存lr 指針
STMFD sp!, {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址
MRS r4, CPSR
STMFD sp!, {r4} ; 保存當(dāng)前 PSR
MRS r4, SPSR
STMFD sp!, {r4}
; OSPrioCur = OSPrioHighRdy

LDR r4, addr_OSPrioCur
LDR r5, addr_OSPrioHighRdy
LDRB r6, [r5]
STRB r6, [r4]
; 得到當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址
LDR r4, addr_OSTCBCur
LDR r5, [r4]
STR sp, [r5] ; 保存棧指針在占先任務(wù)的TCB 上
; 取得高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB 地址
LDR r6, addr_OSTCBHighRdy
LDR r6, [r6]
LDR sp, [r6] ;得到新任務(wù)的堆棧指針
; OSTCBCur = OSTCBHighRdy
STR r6, [r4] ; 設(shè)置當(dāng)前新任務(wù)的TCB 地址set new current task TCB
address
LDMFD sp!, {r4}
MSR SPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r4}
MSR CPSR_cxsf, r4
LDMFD sp!, {r0-r12, lr, pc}
（3）OSIntCtxSw（）；中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)
LDMIA sp!,{a1-v1, lr}
SUBS pc, lr, #4
SUB lr, lr, #4
MOV r12, lr
MRS lr, SPSR
AND lr, lr, #0xFFFFFFE0
ORR lr, lr, #0xD3
MSR CPSR_cxsf, lr
（4）OSTickISR（）；中斷服務(wù)函數(shù)
STMDB sp!,{r0-r11,lr}
;interrupt disable(not nessary)
mrs r0, CPSR
orr r0, r0, #0x80 ; 設(shè)置中斷禁止標(biāo)
msr CPSR_cxsf, r0 ;中斷結(jié)束
; rI_ISPC= BIT_TIMER0;
LDR r0, =I_ISPC
LDR r1, =BIT_TIMER0

STR r1, [r0]
BL IrqStart
BL OSTimeTick
BL IrqFinish
LDR r0, =need_to_swap_context
LDR r2, [r0]
CMP r2, #1
LDREQ pc, =_CON_SW
完成了上述工作以后，μCOS-II 就可以正常運(yùn)行在ARM 處理器上了。
七、思考題
將UC/OS-II 操作系統(tǒng)移植到8051 單片機(jī)上（網(wǎng)上有成功實(shí)例可以參考）。