摘   要： 在以S3C2410處理器的嵌入式平臺上，把經(jīng)典的vivi啟動代碼與μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起,，探討了μC/OS-II的移植實現(xiàn),，尤其詳述了在ARM處理器ISR中斷模式下如何實現(xiàn)斷點數(shù)據(jù)保護的方法。利用該方法,，可以將一般ARM系統(tǒng)的啟動代碼同μC/OS-II操作系統(tǒng)融合起來,，對于μC/OS-II操作系統(tǒng)在ARM平臺的推廣和μC/OS-II操作系統(tǒng)的研究都很有意義。
關(guān)鍵詞： 嵌入式操作系統(tǒng); μC/OS-II; ARM; S3C2410

    μC/OS-II在ARM平臺的移植是一個重要的學(xué)習(xí)過程,，有助于提高對RTOS的認識與理解,，從而提高嵌入式工作者的理論與技術(shù)水平。μC/OS-II是一個小的實時內(nèi)核,，源代碼公開,，有詳盡的解釋。正是因為其內(nèi)核小,，才便于研究,、理解和掌握。另外,，參照TCP/IP協(xié)議,、標準和一些公開的圖書,，在μC/OS-II上增加TCP/IP協(xié)議棧，藍牙通信軟件,、紅外通信協(xié)議也十分方便,，商業(yè)價值得到了認可。
    隨著科技的發(fā)展,，嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜性越來越高,，同時ARM體系處理器的價格越來越低，ARM平臺 + 實時操作系統(tǒng)的架構(gòu)體系的使用會越來越廣泛,。有鑒于此,，本文對μC/OS-II在ARM平臺下的移植進行了深入探討。
1 操作系統(tǒng)μC/OS-II及S3C2410開發(fā)平臺簡介
1.1 μC/OS-II簡介
    μC/OS最早出自于1992年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志5月和6月上刊登的文章連載,，并把μC/OS的源代碼發(fā)表在該雜志的BBS上,。μC/OS-II是目前最新的版本。
　μC/OS-II是專門為計算機的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的,，絕大部分代碼用C語言編寫,。CPU的相關(guān)部分采用匯編語言編寫，總量在200行左右的匯編語言被壓縮到最低限度,，目的是便于移植到任何一種其他的CPU上去,。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高,、占用空間小,、實時性優(yōu)良、可擴展等特點,，最小內(nèi)核可編譯至2 KB,。μC/OS-II可移植到幾乎所有知名的CPU上。
1.2 μC/OS-II的組成
    嚴格地說μC/OS-II只是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核,，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度,、任務(wù)管理、時間管理,、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能,。沒有提出輸入輸出管理、文件系統(tǒng),、網(wǎng)絡(luò)通信等額外的服務(wù),。但由于μC/OS-II良好的可擴展性和源代碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶根據(jù)自己的需要分別實現(xiàn),。
    μC/OS-II可以大致分成核心,、任務(wù)處理、時間處理,、任務(wù)同步與通信,、CPU的移植等5個部分[1],。
    (1)核心部分（OSCore.c）:操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)的初始化,、操作系統(tǒng)運行,、中斷進出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍,、任務(wù)調(diào)度,、事件處理等多部分。
    (2)任務(wù)處理部分(OSTask.c):與任務(wù)操作密切相關(guān)的部分,。包括任務(wù)的建立,、刪除、掛起,、恢復(fù)等等,。
    (3)時鐘部分(OSTime.c):μC/OS-II中最小的時鐘單位是timetick（時鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時等操作在此完成,。
    (4)任務(wù)同步和通信部分：為事件處理部分,，包括信號量、郵箱,、郵箱隊列,、事件標志等部分，主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對臨界資源的訪問,。
    (5)與CPU的接口部分：這里是指μC/OS-II針對所使用的CPU需要改寫的部分,。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統(tǒng)，其開放的源代碼是以X86內(nèi)核為例而編寫的,，在應(yīng)用到其他處理器平臺上時,，這部分代碼必須做相應(yīng)的改變。
1.3 ARM硬件開發(fā)平臺簡介
    調(diào)試時所用的硬件開發(fā)平臺是一款基于三星S3C2410A芯片的開發(fā)平臺,。S3C2410開發(fā)板是一款通用的ARM9開發(fā)板,其基本配置采用三星公司的S3C2410 ARM920T芯片,，主頻203 MHz。集成有SDRAM控制器,、NAND Flash控制器,、SD讀卡器、USB Host和USB Device控制器,、LCD控制器,、I2C總線控制器、SPI總線接口等,。開發(fā)板上Flash空間為32 MB,，SDRAM容量為128 MB。
2 S3C2410引導(dǎo)程序
    開發(fā)板原有引導(dǎo)程序由VIVI公司提供，其運行過程分成兩個階段,。第一階段的代碼用匯編語言編程,，主要完成以下任務(wù)： (1)初始化CPU速度、存儲器,、存儲器配置寄存器,，以及串口等硬件資源的配置；(2)建立內(nèi)存空間的映射圖,，將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到合適的狀態(tài),，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準備； (3)裝載操作系統(tǒng)映像到內(nèi)存中,；(4)設(shè)置相關(guān)寄存器和資源,，跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)，進入第二階段,。
    第二階段的代碼用C語言編寫,，從main（）函數(shù)開始,主要工作有:開發(fā)板外部接口初始化(I/O接口、UART接口,、LCD接口等),、內(nèi)存映射和內(nèi)存管理單元初始化等，最后啟動linux內(nèi)核,。有大量文章對此開發(fā)板引導(dǎo)程序作了詳細的分析[3],，本文在這里不做重復(fù)，本文的重點是將引導(dǎo)程序與μC/OS-II操作系統(tǒng)二者融合,，既利用了開發(fā)板源代碼提供的關(guān)于UART口,、LCD和觸摸屏接口程序；時鐘,、內(nèi)存管理等豐富的驅(qū)動程序和接口程序,，又成功地完成了對μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的移植和整合。
3 移植要點
　　μC/OS-II的內(nèi)核分成2個部分,，與處理器無關(guān)的代碼和與處理器有關(guān)的代碼。移植過程中需要根據(jù)S3C2410處理器和ADSV1.2開發(fā)平臺（這里特地強調(diào)編譯平臺的因素,，主要考慮到各個編譯平臺對數(shù)據(jù)格式的理解略有差別）的特點來重新編寫3個文件,，用C語言編寫的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和用匯編語言編寫的OS_CPU_A.ASM,，此外,，要將S3C2410開發(fā)板引導(dǎo)程序和μC/OS-II內(nèi)核程序融合在一起，還必須將各自main（）函數(shù)融為一體,。
3.1 OS_CPU.H的移植
    μC/OS-II內(nèi)核中OS_CPU.H代碼是根據(jù)X86內(nèi)核而寫的,，其中的數(shù)據(jù)格式定義與ARM9內(nèi)核以及ADSv1.2開發(fā)平臺不完全相符。OS_CPU.H的移植分為以下4個部分：
    (1)數(shù)據(jù)類型定義:在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，雖然定義8 bit或16 bit數(shù)據(jù)類型時,在編譯過程中不會報錯,，但這些變量并不會按要求被正確初始化或賦值,，運行過程常常出錯。所以,，在改寫OS_CPU.H代碼時,，將所有變量都定義成32 bit或64 bit；
    (2)堆棧生長方向定義:ARM的堆棧是從上往下生長的,，OS_STK_GROWTH定義為1,；
    (3)開關(guān)中斷的宏定義:用開關(guān)中斷的匯編函數(shù)實現(xiàn)，放在OS_CPU_A.ASM文件中,。
    (4)宏定義OS_TASK_SW（）:這個宏定義是在ARM中斷處理之外時,，μC/OS-II從低優(yōu)先級切換到高優(yōu)先級任務(wù)時所調(diào)用的代碼，它總是在任務(wù)級代碼中被調(diào)用,。在有些資料中[1],，將OS_TASK_SW()和OSIntCtxSw（）等同起來，這在ARM內(nèi)核中是不行的,，因為后者是ARM內(nèi)核在中斷模式下的任務(wù)切換函數(shù),，而不同模式下處理器的寄存器組是不同的，所要保護的寄存器內(nèi)容也不相同,，經(jīng)過調(diào)試,，發(fā)現(xiàn)以下代碼可達到目的。
OS_TASK_SW    
    stmfd    sp!, {lr}                         ; PC入棧,，lr其實是任務(wù)的返回地址,，
    stmfd    sp!, {r0-r12, lr}
    mrs        r4,  cpsr
    stmfd    sp!, {r4}                     ;最后保存CPSR        ldr        r4, =OSTCBCur
    ldr        r5, [r4]
    str        sp, [r5]                      ;將SP保存在當前任務(wù)的控制塊中        ldr    r5, =OSTCBHighRdy
    ldr        r5, [r5]
    str        r5, [r4]                       ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy        ldr    r6, =OSPrioHighRdy
    ldr        r6, [r6]
    ldr        r4, =OSPrioCur
    str        r6, [r4]                       ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy
    ldr        sp, [r5]                    ;得到新任務(wù)的堆棧指針
    ldr        r4, [sp], #4        
    msr        cpsr_cxsf, r4                            ;先恢復(fù)CPSR
    ldmfd    sp!, {r0-r12, lr, pc}
3.2  OS_CPU_C.C.H的移植
    在OS_CPU_C.C中,最主要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），它在任務(wù)建立時,用來初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu),，其余鉤子函數(shù)可以不用動,這個函數(shù)的代碼比較簡單[2],。需要說明的是，由于本文所述系統(tǒng),，用戶任務(wù)運行在SVC模式下,，沒有保存SPSR寄存器。
3.3 OS_CPU_A.ASM的移植
    OS_CPU_A.ASM文件的匯編程序是μC/OS-II移植工程的重點和難點,。它通常包括OSStartHighRdy(),、OSIntCtxSw()、OSTickISR（）和開關(guān)中斷代碼等,。其中,，OSStartHighRdy()的主要工作是將優(yōu)先級最高任務(wù)對應(yīng)的所有寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來,其代碼簡單[2]。對于開關(guān)中斷函數(shù),，在調(diào)試時所用代碼如下：
EnterCritical   
    mrs    r1, cpsr
    str    r1, [r0]
    orr    r1, r1, #NOINT
    msr    cpsr_cxsf, r1        
    mov pc, lr    
ExitCritical
    ldr    r1, [r0]
    msr    cpsr_cxsf, r1    
    mov pc, lr    
    需要指出的是,，在每次成對調(diào)用這兩個函數(shù)時，需要提前聲明變量r，代碼如下所示:
    INT32U          r;
    EnterCritical(&r);
    ExitCritical(&r);
    需要慎重對待的是OSIntCtxSw(),、OSTickISR（）函數(shù),。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，用一般參考資料所介紹的代碼都無法實現(xiàn)多任務(wù)的正常運行,，其主要原因是,，對ARM9內(nèi)核而言，其每種特定的中斷返回,，都有特定的返回指令,，在中斷處理過程中，強制使用模式切換指令,，使處理器的中斷處理機制發(fā)生混亂,，程序無法正常執(zhí)行。例如在ISR模式中使用指令：
　MSR CPSR_c, #(NO_INT | SVC32_MODE)
其目的是返回ISR發(fā)生之前的模式,，然后保存一些寄存器,。但調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，在上述指令執(zhí)行之后,，處理器重新響應(yīng)ISR中斷,，并沒有順序執(zhí)行，而是立即回到ISR模式下,。
　還有,，對于S3C2410的ARM920T內(nèi)核而言，其ISR模式的返回指令是：
    ldmfd    sp!, {r0-r12, lr}
　   subs        pc, lr, #04
其他任何形式的指令都無法使處理器正確返回,。有些資料用下述指令：
    Ldmfd  sp!, {r0-r12, lr,，pc}; 執(zhí)行之前堆棧中相應(yīng)存儲單元的內(nèi)容為（lr-4）。
　看起來與前面的兩行代碼意義相同,，但后面的代碼僅僅讓處理器實現(xiàn)PC指針的跳轉(zhuǎn),，而無法實現(xiàn)處理器的模式轉(zhuǎn)換，即從ISR模式回到中斷發(fā)生之前的模式,。
　但在中斷發(fā)生時,，無法在中斷處理過程中保存所有的處理器寄存器。例如,，在ISR模式下,，無法保存SVC模式的LR寄存器等。為了解決這個問題,，本文采取了如圖1所示的框圖結(jié)構(gòu)來編寫中斷處理代碼和OSIntCtxSw()函數(shù)。

　因為S3C2410在進入ISR模式后,自動屏蔽ISR中斷,，所以粗存在中斷嵌套,可以表明2個全部變量ISR_LR和ISR_SPSR用于保存ISR中斷發(fā)生之時處理器的lr和spsr寄存器,。其代碼的特別之處在于，在ISR中斷處理過程中通過修改lr寄存器，而使處理器在退出ISR模式時能根據(jù)任務(wù)的需要返回至ISR中斷發(fā)生之處或者代碼指定地點,。在代碼指定地點,，可以保存上次中斷發(fā)生時被中斷任務(wù)的處理器的所有寄存器數(shù)據(jù)。這里需要注意一點,，當處理器退出ISR模式時跳轉(zhuǎn)到Saveregister處開始執(zhí)行命令,，需要提前將Saveregister處的地址加上4，然后賦值給lr寄存器,。因為在ISR退出時,，需要將lr減去4再賦值給程序計數(shù)器pc。
4 S3C2410啟動代碼和μC/OS-II的融合
　本文1.1節(jié)已經(jīng)介紹過,，S3C2410的啟動代碼開始部分是匯編語言的初始化過程,，然后跳轉(zhuǎn)到main（）函數(shù)。融合的工作就從改造S3C2410的main（）函數(shù)和μC/OS-II的main（）函數(shù)（在test.c中）開始,。在S3C2410的main（）函數(shù)中,，保留原啟動代碼中關(guān)于端口、內(nèi)存,、外部設(shè)備初始化代碼,，刪去跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)的代碼；在μC/OS-II的test.c文件的main（）函數(shù)中,，刪去一切與X86內(nèi)核有關(guān)的初始化代碼和輸入輸出函數(shù)代碼（因為這部分代碼在S3C2410的啟動代碼中已經(jīng)實現(xiàn)）,，并將與 μC/OS-II內(nèi)核有關(guān)的3個函數(shù)OSInit()、OSTaskCreate(…),、OSStart()復(fù)制到S3C2410的main（）函數(shù)中,，同時刪去μC/OS-II的test.c文件。融合后的main（）函數(shù)主要代碼如下：
　ChangeClockDivider(1, 1);                           //1:2:4
　　    ChangeMPllValue(161,3,1);             //FCLK=203.0 MHz
　　    SetClockDivider(1, 1);
　　    SetSysFclk(FCLK_203M);
　　    Port_Init();
　　    Isr_Init();
　　    Uart_Init(0, 115200);
　　    Uart_Select(0);    
　　    MMU_Init();                                         //MMU 初始化
     EnableModuleClock(CLOCK_ALL);    
　　    rMISCCR &= ~(0x3007);
    OSInit(); 
    OSTaskCreate(TaskStart,……, 0); 
　　    OSStart();               
    至此,，處理器已執(zhí)行完S3C2410的啟動代碼,并開始執(zhí)行μC/OS-II內(nèi)核代碼,。當然，要實現(xiàn)多任務(wù),，處理器的中斷必須是打開的,。這個工作在OSStart ()函數(shù)中完成，在執(zhí)行OSStartHighRdy之前,，要按照系統(tǒng)的需求完成處理器的中斷初始化工作,，同時打開中斷。至此,，融合工作基本完成,，剩下的工作就是按照系統(tǒng)的需求在μC/OS-II的TaskStart（…）函數(shù)中自由添加實際工作所需的任務(wù)了。
    在本文所述系統(tǒng)中,，在μC/OS-II所帶3個系統(tǒng)任務(wù)的基礎(chǔ)上添加了3個任務(wù)Task1,、Task2和Task3,，方法是在OSStatInit( )之前添加OSTaskCreate(Task1,…)等代碼，然后按下述格式和自己的需求編寫Task1,、Task2和Task3函數(shù),。代碼為：
    void    Task1(void *data)
　　{
　　        while(1)    { ;任務(wù)代碼    }
　　}
    因篇幅所限，無法詳述在融合過程中遇到的所有問題,，尤其是在ADSv1.2環(huán)境下編譯,、調(diào)試過程出現(xiàn)的語法問題和各種細節(jié)問題。
    隨著科技的發(fā)展和實際任務(wù)復(fù)雜性的逐步增加,，傳統(tǒng)的單片機前后臺編程模式漸漸不能滿足實際應(yīng)用的要求,。在嵌入式應(yīng)用開發(fā)中使用嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，本文在S3C2410開發(fā)板上將原有的引導(dǎo)程序和μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)合在一起,，開發(fā)出能自引導(dǎo)的μC/OS-II操作系統(tǒng),，該系統(tǒng)除了3個系統(tǒng)任務(wù)外，還自帶3個實際任務(wù),，在ADSV1.2環(huán)境下編譯,、調(diào)試，并在板卡上成功運行,，對μC/OS-II在ARM平臺上的移植有一定借鑒意義,。
參考文獻
[1]     任哲,潘樹林,房紅征,編著.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ) μC/OS-II和Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，
2007.
[2]     韓山,郭云,付海艷,編著.ARM微處理器應(yīng)用開發(fā)技術(shù)詳解與實例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2007:284-286.
[3]     蔣維. 基于ARM S3C2410嵌入式系統(tǒng)的Bootloader分析與設(shè)計[J].電子工程師,，2008(10).