UCOS-II移植到ARM处理器上的几个要点

Ber_thaw99

$ G% a0 V% E3 ^6 Y! W/ {& Y
uCOS II是一个源码公开、可移植、可固化、可剪裁和抢占式的实时多任务操作系统，其大部分源码是用ANSI C编写，与处理器硬件相关的部分使用汇编语言编写。总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，以便于移植到任何一种其它的CPU上。

4 j4 a3 k9 I9 e; s/ X9 t6 w$ O
6 Y6 g" s5 R6 N( SuCOS II最多可支持56个任务，其内核为占先式，总是执行就绪态的优先级最高的任务，并支持Semaphore(信号量)、Mailbox (邮箱)、MessageQueue(消息队列)等多种常用的进程间通信机制。与大多商用RTOS不同的是，uCOS II公开所有的源代码。并可以免费获得，只对商业应用收取少量License费用。

uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3个文件有关，中断处理的移植占据了很大一部分内容。作为移植的一个重点，本文以标准中断(IRQ)为例讨论了移植中的中断处理。
% t; o2 r# h/ g" B
1uCOS II系统结构

uCOS II的软硬件体系结构如图1。应用程序处于整个系统的顶层。每个任务都可以认为自己独占了CPU，因而可以设计成为一个无限循环。大部分代码是使用ANSI C语言书写的，因此uCOS II的可移植性较好。尽管如此，仍然需要使用C和汇编语言写一些处理器相关的代码。uCOS II的移植需要满足以下要求：

1)处理器的C编译器可以产生可重入代码：可以使用C调用进入和退出Critical Code(临界区代码);
$ S. t+ V( \0 m
. L. a* y1 `, T* s2)处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源;
6 X+ {  O+ |  w; ]4 M& ^. d( x% {* B
3)处理器需能容纳一定数据的硬件堆栈;

! [# u" a: y: \2 q1 O3 K4)处理器需有能在CPU寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。
7 @: U: F8 m/ x) {( e
* l# c6 J: B5 M6 A# ?移植uCOS II的主要工作就是处理器和编译器相关代码以及BSP(Board Support Package)的编写。uCOS II处理器无关的代码提供uCOS II的系统服务，应用程序可以使用这些API函数进行内存管理、任务间通信以及创建、删除任务等。

2uCOS II移植过程中需要注意的几个问题
6 p- U5 g$ b+ C: K# Z
uCOS II移植的中断处理跟ARM体系结构和uCOS II处理中断的过程有关，必须注意这2个方面的问题才能高效移植。

4 b8 r# I$ B6 e% Q/ W9 i9 b1 Y2.1 ARM 处理器7种操作模式

用户模式(USER MODE)是ARM 通常执行状态，用于执行大多数应用程序;快速中断模式(FIQ MODE)支持数据传输或通道处理;中断模式(IRQ MODE)用于通用中断处理;超级用户模式(SVC MODE)是一种操作系统受保护的模式：数据中止模式(ABT MODE)指令预取指中止、数据中止时进入该模式;未定义模式(UND MODE)当执行未定义的指令时进入该模式;系统模式(SYS MODE)是操作系统一种特许的用户模式。

: g" b7 a  ]9 J6 q: }3 q除了用户模式之外，其他模式都归为特权模式，特权模式用于中断服务、异常或者访问受保护的资源。
' y1 q# K4 k9 v! r; ~  e
特权模式中除系统模式之外另5种模式又称为异常模式，在移植过程中必须设置中断向量表来处理异常。uCOS II的移植主要处理标准中断(IRQ)、快速中断(FIQ)和软件中断(SWI)。
& B( e8 r% S/ V- w8 O) M$ S
2.2 uCOS II中断响应的过程
! L& h4 p  D6 R, j) T1 X
8 M2 n& n$ A3 X3 t5 |以IRQ中断为例，假设CRPS中I_bit位为0，当有IRQ中断时，CPU强制进入IRQ模式，当前的CPSR拷贝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以关闭IRQ中断。数据保存之后，CPU强行从0X00000018开始执行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址， 然后执行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被调用来检测中断源并执行中断。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR()又调用OSIntExit()来确认是否有比ISR优先级更高的任务要执行。如果当前中断任务仍然是优先级最高的任务，OSIntExit()返回，OS_CPU_IRQ_ISR()弹出中断堆栈，如果优先级更高的任务需要执行，OSIntExit()调用OSIntCtxSw()执行优先级更高的任务。
. y7 E8 x: p9 R; n$ {0 K5 L
2.3 uCOS II的临界段代码

uCOS II使用关中断来保护临界代码。它定义了2个宏来开中断(OS_EXIT_CRITICAL())，关中断(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3种方法来实现，uCOS II建议使用第3种方法可以保存当前处理器状态的值。

) C( C! C- I5 @; m* b. B3uCOS II移植过程中的中断处理

uCOS II中断处理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有关，其移植过程主要有以下几个步骤。
$ S- [/ X& ]- i2 w7 Z( v/ Q
- A0 Z3 ]/ x3 e$ M3.1 在CRT.S中设置中断向量表
& a( C8 {  I! X2 [
3 z: a! `( H3 r; ~ARM的中断向量表位于ROM 的最底部，其地址范围为0X00000000～0X0000001C，设置如下：
( w5 x4 G# V) U7 F; r. K* v. j% s& H
' a. r9 W6 D9 V) @3 JVECTORSDR PC，RESET_ADDR

3 f0 j! y; e3 D$ ^4 `LDR PC，UNDEF_ADDR

LDR PC，SWI_ADDR
% B6 k) h, P6 |* _% w/ y9 i
6 S8 L3 ~% V' S% ~( }LDR PC，PABT_ADDR
8 Q+ o! o. r7 q; I+ ^. E: D6 \! a
LDR PC，DABT_ADDR

9 e7 N4 f5 m2 q' G; o! PNOP

; l! K( \* z" W- M0 `LDR PC，IRQ_ADDR
1 |% A  F; q: i4 C, ?
LDR PC，FIQ_ADDR
+ x; k8 K: n8 S1 h, U" z" J( a# V
2 X9 X5 H1 {" M! f) y6 {RESET_ADDR：。 WORD RESET_HANDLER
1 g  ?( {1 u1 v# b$ }' O" ?
UNDEF_ADDR：.WORD UNDEF—HANDLER
- C0 H6 D& O4 B! g. b* u
SWI_ADDR：.WORD SWI HANDLER

PABT_ADDR：.WORD PABT_HANDLER
& T! e- x: c2 g4 l
7 o+ }+ |6 J1 D/ CDABT_ADDR：.WORD DABT_ HANDLER

# v( `/ Z% \$ l/ P! k6 ^WORD 0

IRQ_ADDR：.WORD IRQ_HANDLER

FIQ_ADDR：.WORD FIQ HANDLER

0 b8 _4 ]# h% R) o: ^( j0 g7 pUNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER
5 V  n) J7 N& D' O# ]" ]( @5 F
' e9 P5 O( o( r/ z( C6 u. DSWI_HANDLER： B SWI_HANDLER
& C( z% ~6 \* G! `
PABT_HANDLER： B PABT_HANDLER

DABT_HANDLER： B DABT_HANDLER
3 W6 w* c0 \! N
0 Z3 z2 g* w$ a6 fIRQ_HANDLER： B OS_CPU_IRQ_ISR
1 k$ W, q/ k  f$ g# W) T) X
FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR
2 o6 |. J  q7 |; `
& q& b+ j9 @) G4 }这里设置了标准中断异常(IRQ)和快速中断异常(FIQ)的中断入口，其余异常都设置为死循环，当发生这些异常的时候，必须使系统复位才能退出死循环。

$ F# z% K" x% b* h2 w, p9 N! `, Z3.2 移植中断任务切换
1 @- y% h/ y2 G2 U" [
% C- d: v8 U0 G中断任务切换(OSIntCtxSw)和任务切换函数(OSCtxSw)比较相似，主要有以下几步组成：

1)调用OSTask SwHook()
' b' b6 K* `+ S3 L
0 A) j/ M  O! ^2 ?1 Z2 i5 E1 B2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy
1 \9 ]0 Z" f  f" }* ^4 p4 U
3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy
9 Q+ ?7 I! _% i, h. F
/ k4 u  C$ ]' ?8 v7 ^  a4)SP=OSTCBHighRdy-》OSTCBStkPtr

4 D3 E+ R/ q. z2 C% a2 |//获取高优先级的任务堆栈指针

5)从高优先级的任务的堆栈中弹出高优先级的任务上下文

6)执行高优先级的任务
7 _  |# R! @9 V, d7 J% T$ B+ Y
3.3 移植中断服务程序

. }* r! d2 A& R* R+ m; f* q% I; ^以IRQ中断为例中断服务程序(OS_CPU_IRQ_ISR)主要依据上面所描述的“uCOS II中断响应的过程”编写，其主要代码如下：
8 c' N. q) n2 R
% c" G) G- q# w  |……
) J! l2 e2 D" g+ Q% I$ B  [5 @- s- d
9 ?- ?9 Y8 e8 C. F# rLDR R0，OS_IntNesting

* A2 j* H& t8 q/ c! }LDRB R1，[R0]

  s  W- f5 c2 HADD R1，R1，#1
4 l$ a+ a4 L$ e0 c
" n  E! Q- z, r) W1 D1 Y2 OSTRB R1，[R0]
4 c6 F3 i3 }' L7 {
CMP R1，#l
# `$ c' s' b2 L: u
% q% v3 |; L) v( HBNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

LDR R4，OS_TCBCur

; d6 B) Q! D% m0 b3 H
/ `7 S* w! D* V& n, @* N. L' F3 y  H