嵌入式即時作業系統μCOS-Ⅱ的移植

 

嵌入式即時作業系統μCOS-Ⅱ的移植時間：2009-03-18 15:58:49 來源： 作者：張仁斌、代海飛、李鋼

1、引言

　
　嵌入式系統由於它具有軟體代碼小、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[3]。從家裡的洗衣機、電冰箱，到作為交通工具的自
行車、小汽車，到辦公室裡的遠程會議系統等。嵌入式系統通常由硬體環境和作業系統構成。在嵌入式作業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，達到提高系統效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即時作業系統，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作業系統的首選。本文將μCOS-Ⅱ在Freescale的8位處理器晶片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佔式即時多任務核心。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，能夠使用軟體中斷，產生定時器中斷，此外，編譯器要支援可重新進入代碼，並且要能使用彙編實現對處理器內部寄存器的相關操作[2][4]。
通過μCOS-Ⅱ的管理，使多個任務之間相互協調，分時的佔用CPU，實現充分利用資源和即時等相應的功能。
任務通常是一個死迴圈，用來完成某一
特定的功能；一個任務相當於一個線程。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順序。但是，優先順序最低的那個任務已經被系統
定義為空白閑任務，使用者不能使用。使用者可以通過函數OSTaskCreate()來建立任務，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
任務中優先順序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儲存在它的任務堆棧中；將將要執行的任務堆棧中儲存的寄存器值彈到處理器中，然後執行中斷返回指令。這樣新的任
務就擁有了CPU，開始執行。直到它掛起，或者是被更高優先順序的任務中斷。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的硬體結構

　　每個HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個儲存空間以及外設模組組成。HCS08 核主要包括：

　　①HCS08 CPU
　　②背景調試控制器(BDC)
　　③支援多達32個中斷/複位源
　　④晶片級地址解碼

　
　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位棧指標(SP)，一個16 位程式計數器(PC)和一個狀態代碼寄存器(CCR)，該CCR 包含5個處理器狀態標誌(V，H，N，Z
和C)和全域中斷屏蔽標誌(I)。HCS08核定義的5個主要的儲存空間。

　　直接頁寄存器主要包括I/O
連接埠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後面並且向高地址延伸，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。高地址頁寄存器位於$1800到$182B之間，由於這些寄存器比
直接頁寄存器的使用頻率要少的多，所以它們沒有安排在珍貴的直接頁地址空間中；FLASH儲存空間分配64K位元組的儲存空間最終分配到地址$FFFF。這一
塊的起始地址取決於MCU有多少FLASH儲存空間；向量區是FLASH區的一部分，位於$FFC0-$FFFF中，但是它是單獨解碼的，所以當中斷向量
取出時別的HCS08模組可以識別出來。

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。但是使用者在移植時還需要修改相應的幾個檔案。與應用相關部分需要使用者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使用者
根據不同處理器的結構修改相應的代碼，以使作業系統能夠準確的進行任務的切換等[1]。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以及如何處理臨界程式碼片段等。

　
　2.OS_CPU_C.C
在這個檔案中要求使用者編寫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。對於HCS08系列單片機來說，當中斷髮生時，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，有時還要儲存頁值。初始化完成後，將棧頂位置SP儲存在任務控制塊TCB中。

　　3.OS_CPU_A.ASM 在這個檔案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順序最高的任務開始運行。這部分一般要求使用者把它轉化成組合語言實現。本文中代碼如下：

OSTaskSwHook();
asm lda #$01
asm sta OSRunning
asm ldhx OSTCBHighRdy
asm ldhx 0, x
asm txs
asm pulh
asm pula
asm sta PAGE
asm rti

　
　(2)任務級切換函數OSCtxSw()
主要通過執行非強制中斷或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()的最後作業系統調用
OS_TASK_SW執行非強制中斷或TRAP指令，該指令找到對應的OSCtxSw()實現任務的切換。OSCtxSw()首先要儲存當前運行任務的各寄存
器狀態到自己的堆棧中，並且儲存當前棧頂位置；然後找到將要啟動並執行任務，並且把儲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：

asm psha
asm pshh
asm tsx
asm pshx
asm pshh
asm ldhx OSTCBCur
asm pula
asm sta 0, x
asm pula
asm sta 1, x
OSTaskSwHook();
asm lda OSPrioHighRdy
asm sta OSPrioCur
asm ldhx OSTCBHighRdy
asm sthx OSTCBCur
asm ldhx 0, x
asm txs
asm pulh
asm pula
asm sta PAGE
asm rti

　　(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。由於是在中斷中執行的，處理器的大部分寄存器值都已經自動儲存在堆棧中了，所以該函數的大部分代碼都和OSCtxSw()相同，只是前半部分儲存寄存器的功能不要了。

　
　(4)OSTickISR()時鐘節拍服務函數μCOS-Ⅱ要求使用者提供一個周期性的時鐘源，來實現時間的定時和逾時功能。這部分功能由該函數實現。這
個函數首先儲存寄存器的值，然後設定中斷標誌、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，最後恢複處理器寄存
器，執行中斷返回指令，返回到中斷處繼續執行。代碼如下：

SRTISC_RTIACK = 1;
asm lda PAGE
asm psha
asm pshh
asm lda OSIntNesting
asm add #1
asm sta OSIntNesting
asm cmp #1
asm bne Tmr_TickISR1
asm tsx
asm pshx
asm pshh
asm ldhx OSTCBCur
asm pula
asm sta 0, x
asm pula
asm sta 1, x
asm Tmr_TickISR1:
OSTimeTick();
OSIntExit();
asm pulh
asm pula
asm sta PAGE
asm rti

5、結論

　
　本文將μCOS-Ⅱ移植到8位系列單片機上，並且在MC9S08AW60上穩定的運行，有效提高了該系統的效能，充分利用系統資源，使系統的即時效能得
到很大的提高，開闊了應用範圍。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。