mC/OS-II內(nèi)核工作原理

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)mC/OS-II內(nèi)核的工作原理如圖1所示。首先，在主程序中對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成mC/OS-II所有變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，包括任務(wù)控制塊(TCB)初始化，TCB優(yōu)先級(jí)表初始化，TCB鏈表初始化，事件控制塊(ECB)鏈表初始化以及空閑任務(wù)的創(chuàng)建等。

然后，根據(jù)應(yīng)用程序的需要，用戶可以調(diào)用OSTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)(至少1個(gè))。該函數(shù)為新任務(wù)建立任務(wù)堆棧(OSTaskStkInit())以及初始化任務(wù)控制塊TCB(OS_ TCBInit())。

最后，通過(guò)調(diào)用OSStart()啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。程序?qū)⑻骄途w表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。這里假設(shè)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度前創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)Task1()。

程序進(jìn)入Task1()后，首先初始化時(shí)鐘和啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍源開(kāi)始計(jì)時(shí)。此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時(shí)鐘中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)和超時(shí)確認(rèn)。然后根據(jù)應(yīng)用程序要求，完成該任務(wù)的基本功能。最后，調(diào)用OSTimeDly(),將自己掛起，即從就緒表中刪除。直到等待延時(shí)時(shí)間到，才將該任務(wù)恢復(fù)到就緒表中，并等待調(diào)度器的調(diào)度。

OSTimeDly()將任務(wù)掛起的同時(shí)，為其做好延時(shí)記號(hào)，然后調(diào)用OS_Sched()進(jìn)行任務(wù)級(jí)的任務(wù)調(diào)度。若此時(shí)沒(méi)有任何任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，就切換到空閑任務(wù)。

當(dāng)時(shí)鐘中斷來(lái)臨時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序OSTickISR()。系統(tǒng)把當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行中斷處理OSTimeTick()，判斷有無(wú)任務(wù)延時(shí)到期，若有，則使該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。最后調(diào)用OSIntExit()進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)調(diào)度，從而切換到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，若沒(méi)有別的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。

AT91FR40162簡(jiǎn)介

AT91FR40162是ATMEL公司出品的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的AT91 16/32位微控制器，其核心為高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，并具有高密度的16位指令集和極低的功耗。

ARM處理器共有7種運(yùn)行模式，處理器模式可以通過(guò)軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過(guò)外部中斷或異常處理過(guò)程進(jìn)行切換。在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器組。任意時(shí)刻(也就是任意的處理器模式下)，可見(jiàn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器(R0~R14)、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器及程序計(jì)數(shù)器(PC)。

CPSR(當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器)可以在任何處理器模式下被訪問(wèn)。它包含了條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志以及其他的一些控制和狀態(tài)位。每一種處理器模式下都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱為SPSR(備份程序狀態(tài)寄存器)。當(dāng)特定的異常中斷發(fā)生時(shí)，這個(gè)寄存器用于存放CPSR的內(nèi)容。在異常中斷程序退出時(shí)，可以用SPSR中保存的值來(lái)恢復(fù)CPSR。

mC/OS-II在

AT91FR40162上的移植

本文使用的內(nèi)核是mC/OS-II v2.76，選用ADS1.2中的C編譯器。

整個(gè)移植過(guò)程主要分為兩個(gè)方面：與應(yīng)用相關(guān)的mC/OS-II配置(OS_CFG.H，INCLUDES.H);與處理器相關(guān)的mC/OS-II移植(OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C)。

OS_CPU.H

此文件中主要是定義了一些與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏以及類(lèi)型。根據(jù)ADS1.2的編譯手冊(cè)，char型變量為8位，short型為16位，int型為32位，堆棧為32位寬。另外，v2.76版本中新增加了一個(gè)全局變量OSIntCtxSwFlag，如果需要中斷級(jí)的任務(wù)切換時(shí)，就令OSIntCtxSwFlag=TRUE。

OS_CPU_C.C

在這里需要編寫(xiě)兩個(gè)函數(shù)：OSInitHookBegin()和OSTaskStkInit()。

OSInitHookBegin()在OSInit()中調(diào)用，用來(lái)初始化移植中出現(xiàn)的特殊變量。這里將OSIntCtxSwFlag初始化為0。

OSTaskStkInit()在OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()中調(diào)用，用來(lái)初始化任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)。圖2顯示了初始化后任務(wù)棧的結(jié)構(gòu)。堆棧從上往下遞減。mC/OS-II規(guī)定任務(wù)工作在SVC模式下。另外，根據(jù)ATPCS規(guī)定，子程序間通過(guò)R0~R3傳遞參數(shù)，所以參數(shù)p_arg放在R0里。

與以往的版本不同，這里OSIntCtxSw()(由OSIntExit()調(diào)用)并不完成任務(wù)的切換工作，僅將OSIntCtxSwFlag變量置1，標(biāo)志需要進(jìn)行任務(wù)切換。當(dāng)OSIntExit()調(diào)用返回到ISR時(shí)，檢查OSIntCtxSwFlag變量，如果為1，則跳到OS_IntCtxSw()函數(shù)執(zhí)行任務(wù)切換。

OS_CPU_A.S

由于C語(yǔ)言不能對(duì)寄存器進(jìn)行直接操作，所以必須用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)以下函數(shù)。

OSStartHighRdy()由OSStart()調(diào)用。該函數(shù)使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。注意開(kāi)始要將IRQ和FIQ中斷禁止，最后從堆棧彈出所有寄存器時(shí)，必須按照OSTaskStkInit()中相反的順序彈出。

OSCtxSw()由OSSched()調(diào)用，完成任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換。任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換包括將當(dāng)前任務(wù)在SVC模式下的寄存器壓入任務(wù)棧中，并且將新任務(wù)的堆棧彈出到SVC模式下的寄存器中。注意必須按照OSTaskStkInit()中任務(wù)棧的結(jié)構(gòu)對(duì)任務(wù)棧進(jìn)行操作。

OS_CPU_SR_Save()用于關(guān)中斷，OS_CPU_SR_Restore()用于開(kāi)中斷。OS_CPU_SR_Save()將CPSR保存到R0中，通過(guò)將CPSR中I位和F位置1來(lái)禁止IRQ和FIQ中斷。OS_CPU_SR_Restore()只需將R0中保存的CPSR恢復(fù)即可。

OS_IntCtxSw()完成中斷級(jí)的任務(wù)切換。當(dāng)檢查OSIntCtxSwFlag變量為1時(shí)，就調(diào)用該函數(shù)。因?yàn)镺S_IntCtxSw()是在ISR中被調(diào)用的，所以所有的處理器寄存器都已經(jīng)被正確地保存到了被中斷任務(wù)的堆棧中。

mC/OS-II 要求用戶提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延遲和超時(shí)功能。這里時(shí)鐘節(jié)拍設(shè)為100次每秒，使用定時(shí)器0來(lái)完成該任務(wù)。時(shí)鐘節(jié)拍中斷OSTickISR()代碼如下，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入IRQ模式。

STMFD SP!, {R0-R3, R12, LR}

BL OSIntEnter

BL Tmr_TickISR_Handler

BL OSIntExit

LDR R0,addr_OSIntCtxSwFlag

LDR R1, [R0]

CMP R1, #1

BEQ OS_IntCtxSw

LDMFD SP!, {R0-R3,R12,LR}

SUBS PC, LR, #4

Tmr_TickISR_Handler是中斷處理程序，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。如果是其他類(lèi)型的中斷，可以替換為相應(yīng)的中斷處理程序。這里定時(shí)器0中斷處理程序要做的工作是首先清中斷源，即讀取TC_SR寄存器值，AIC_ICCR=0x00000010，然后告訴處理器中斷結(jié)束(向AIC_EOICR寫(xiě)數(shù)據(jù))，最后調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)，對(duì)延時(shí)記號(hào)進(jìn)行處理。

定時(shí)器0的設(shè)置為：WAVE模式;TC_CMR中CPCTRG=1，表示RC比較將復(fù)位計(jì)數(shù)器并開(kāi)啟時(shí)鐘;TC_RC=計(jì)時(shí)時(shí)間;TC_IER=AT91C_TC_CPCS，允許RC比較中斷。[!--empirenews.page--]

移植中要注意的問(wèn)題

由于各方面的原因，移植中編寫(xiě)的代碼不一定完全正確，需要進(jìn)行逐步調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中，要善于根據(jù)具體現(xiàn)象來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。根據(jù)筆者的調(diào)試經(jīng)歷，總結(jié)了一些移植調(diào)試過(guò)程中要注意的問(wèn)題。

(1) 對(duì)mC/OS-II的內(nèi)核機(jī)理要有充分理解?？梢試L試對(duì)其內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試，這樣可以幫助自己從更深的層次來(lái)理解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。只有對(duì)mC/OS-II的內(nèi)核有了清楚地認(rèn)識(shí)，才能在移植過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)。

(2) 對(duì)所使用的編譯器要有深刻細(xì)致的了解。由于ADS1.2的C 編譯器有很多優(yōu)化編譯選項(xiàng)和流水處理選項(xiàng)，在處理內(nèi)核編譯時(shí)很容易有沖突，所以，選擇優(yōu)化選項(xiàng)要慎重。加強(qiáng)對(duì)ADS1.2的C 編譯器的理解，可以節(jié)約代碼編寫(xiě)時(shí)間。

(3) 在移植過(guò)程中，最容易出問(wèn)題的就是堆棧處理。堆棧處理是操作系統(tǒng)移植的關(guān)鍵部分。先分析ARM系統(tǒng)自身在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)時(shí)的堆棧處理的操作，然后模擬其過(guò)程。關(guān)鍵是要將需要的寄存器都保護(hù)到。由于我們?cè)谶M(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)候采用了系統(tǒng)函數(shù)來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，因此在堆棧初始化的時(shí)候，就應(yīng)該按照這兩個(gè)函數(shù)的操作來(lái)對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化。

(4) 要詳細(xì)分析ARM系統(tǒng)自自身處理中斷時(shí)的壓棧操作，必須將多余的信息從堆棧中清理干凈。如果對(duì)編譯器不熟悉，可以通過(guò)仔細(xì)調(diào)試中斷，來(lái)確定編譯器的具體操作。在對(duì)AT91FR40162的移植中，由于ARM處理器有7種運(yùn)行模式，每種運(yùn)行模式下都有自己獨(dú)立的寄存器，所以在處理中斷的過(guò)程中，要注意運(yùn)行模式的切換，避免寄存器的內(nèi)容無(wú)法正確保存和恢復(fù)。

(5) 注意程序的返回地址。異常中斷發(fā)生時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC所指的位置對(duì)各種不同的異常中斷是不同的，所以，返回地址也是不同的。需要根據(jù)不同的中斷類(lèi)型，確定不同的中斷返回地址偏移量，否則程序?qū)⑴茱w。

結(jié)語(yǔ)

本方案經(jīng)過(guò)測(cè)試已證明移植成功。本文是以AT91FR40162為例，說(shuō)明mC/OS-II的移植，對(duì)于ARM系列的處理器，只需稍加改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)。