μC／OS－III在Cortex－M3处理器上的移植

2012-09-25李承创陈跃斌房晓丽王兵

单片机与嵌入式系统应用 2012年4期

李承创，陈跃斌，房晓丽，王兵

（云南民族大学电气信息工程学院，昆明 650031）

引言

μC／OS－III是一款基于优先级调度的抢占式实时内核，Micrium公司于2011年8月公开了μC／OS－III的源码，其源码遵循ANSI C标准，因而具有良好的移植性，相信其将会被移植到越来越多的处理器体系上。本文主要完成基于Cortex－M3处理器的μC／OS－III移植，通过本次移植，加深对嵌入式操作系统原理的理解。此外，在μC／OS－III移植成功的基础上进行嵌入式应用程序开发，可以把主要精力集中到应用程序上，而硬件资源交由μC／OS－III管理，从而使得嵌入式应用程序更易开发和维护，在嵌入式软硬件结构变得越来越复杂的今天具有现实意义。

1 μC／OS－III和Cortex－M3特点

相对以前的版本，μC／OS－III最大改进之处在于允许多个任务运行于同一优先级上，相同优先级的任务按时间片轮转调度，内核对象的数量不受限制，以及接近于零的中断禁用时钟周期。

Cortex－M3是ARM公司推出的基于ARMv7－M架构的内核，主要针对高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用。Cortex－M3拥有固定的存储器映射，采用更高效的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）、更简单的堆栈以及更高性能的指令集，且NVIC（包括SysTick）的寄存器位置固定，极大地方便了μC／OS－III的移植及在基于Cortex－M3内核的处理器之间的迁移。

2 移植

2.1 移植方案

本文移植μC／OS－III内核的版本为 V3.02.00，其源代码下载地址见参考文献［4］。选用意法半导体（ST）公司生产的基于Cortex－M3内核的STM32F103RBT6微控制器作为硬件实验平台，而编译环境采用RealView MDK V3.5。

Cortex－M3支持两种特权级别：特权级和用户级，μC／OS－III内核和用户代码都运行于特权级下。Cortex－M3还支持两个栈指针 MSP和PSP，μC／OS－III内核和ISR（Interrupt Service Routine）使用 MSP，μC／OS－III的任务则使用PSP。

首先针对Cortex－M3处理器的特性编写与内核、CPU和BSP（Board Support Package）相关的源代码，然后创建若干个简单的用户任务，在具体的硬件平台上测试移植后的μC／OS－III。

2.2 内核相关

2.2.1 编写os＿cpu.h

os＿cpu.h头文件主要是对上下文切换函数和时间戳获取函数进行宏定义。μC／OS－III的上下文切换包括两种类型：任务级上下文切换OS＿TASK＿SW（）和中断级上下文切换OSIntCtxSw（）。它们使用相同的代码置位ICSR.PENDSVSET以悬起PendSV异常，由PendSV的ISR“缓期执行”上下文切换。

OS＿TS＿GET（）的作用是获取当前时间戳，若使能μC／OS－III的时间戳功能，则将 OS＿TS＿GET（）宏定义为CPU＿TS＿TmrRd（），否则简单地宏定义为0。

2.2.2 编写os＿cpu＿a.asm

在os＿cpu＿a.asm文件中需要用汇编指令实现OSStartHighRdy（）函数和PendSV的ISR。OSStartHighRdy（）函数被内核用于调度第一个最高优先级的就绪任务，以开始多任务运行环境，汇编代码实现如下：

Cortex－M3支持PendSV异常，而PendSV异常的典型应用场合就是上下文切换。得益于Cortex－M3的中断机制，μC／OS－III上下文切换只需保存和恢复 R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自动保存和恢复。PendSV的ISR汇编代码如下：

2.2.3 编写os＿cpu＿c.c

os＿cpu＿c.c文件包含了 OSTaskStkInit（）函数和若干钩子函数。OSTaskStkInit（）函数的作用是在创建任务时初始化任务栈，并返回新的栈顶位置。μC／OS－III基于Cortex－M3的任务栈结构如图1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五个寄存器应赋予正确的初值，而其他11个寄存器的初值无关重要。

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图1 μC／OS－III基于Cortex－M3的任务栈结构

os＿cpu＿c.c文件中的钩子函数是 μC／OS－III为了扩展用户功能而定义的。进行μC／OS－III移植时至少需要定义 OSTaskSwHook（）、OSInitHook（）、OSTimeTick－Hook（）、OSIdleTaskHook（）、OSStatTaskHook（）、OSTa－skCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskReturnHook（）八个钩子函数。为了简单起见，本次移植不对钩子函数作功能扩展。

2.3 CPU相关

2.3.1 编写cpu.h

cpu.h头文件主要包括对标准数据类型、字长、栈、临界区的相关定义。标准数据类型与具体的编译器相关，需要查阅相应的编译器手册。Cortex－M3字长是32位，则CPU＿DATA和CPU＿ADDR皆定义为CPU＿INT32U类型。Cortex－M3使用满降序栈，栈增长方向应为从高地址到低地址。临界区方法选用CPU＿CRITICAL＿METHOD＿STATUS＿LOCAL。

2.3.2 编写cpu＿a.asm

cpu＿a.asm文件的最主要部分是临界区函数的实现。根据所选用的临界区方法，中断使能函数CPU＿SR＿Save（）和中断禁用函数CPU＿SR＿Restore（）代码实现如下：

Cortex－M3的指令集提供了CLZ指令，则可选地使用汇编指令实现CPU＿CntLeadZeros（）函数，以加快μC／OSIII调度器查找最高优先级的就绪任务的速度，CPU＿CntLeadZeros（）函数汇编代码实现如下：

2.4 BSP

Cortex－M3内核包含了一个SysTick定时器，可以用来给μC／OS－III提供系统时钟节拍。SysTick初始化和ISR的源代码实现分别如下：

μC／OS－III新增了时间戳功能，用于测量中断禁用时长、代码执行时长和确定事件发生时间等。时间戳定时器可以由DWT（Data Watchpoint and Trace）的时钟周期计数器CYCCNT充当，该计数器是一个自由运行的32位递增计数器，溢出时自动重载为0，周而复始。时间戳定时器初始化和读取函数源代码实现分别如下：

此外，本移植过程的BSP还涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函数和驱动程序。

3 测试

首先不加任何用户任务来测试移植好的μC／OS－III内核自身运行情况，待验证内核正常运行之后，编写TaskLed1、TaskLed2、TaskLed3、TaskProfile四个任务，其中前3个任务被赋予相同的优先级（本移植是假设使能了μC／OS－III的轮转调度功能），实现对3盏LED灯不停地闪烁；而TaskProfile的功能是在液晶屏上显示上下文切换次数。

运行结果如图2所示。图中3盏LED灯不停地闪烁，验证了 μC／OS－III的相同优先级任务轮转调度的特征；LCD上显示CtxSwC－tr的值一直在增加，指示不断发生上下文切换。系统连续稳定运行5个小时以上没出现任何问题，可见本移植是成功的。