μC/OS-II在 Cortex-M3系列单片机上的移植

引言 　　
      μC/OSII是一种简单高效、源代码公开的实时嵌入式操作系统，具有良好的扩展性和可移植性，被广泛应用到各种嵌入式处理器上；对于提高产品的质量，减少开发周期和降低成本有着重要的意义。本文以μC/OSII为移植对象，以ARM CortexM3内核微处理器为移植目标来讨论其移植过程及应用。
1 μC/OSII及ARM CortexM3简介
　　实时操作系统μC/OSII是一个基于优先级的抢占式实时内核，程序可读性强，移植性好，代码固定，可裁剪，非常灵活。至今，从8位到64位，μC/OSII已在超过40种不同架构的微处理器上运行。μC/OSII的主要特点有：是优先级可剥夺的实时多任务操作系统；可处理和调度56个用户任务，任务的优先级可以动态调整；提供任务间通信、同步使用的信号量、邮箱和消息队列；具有良好的可裁剪性，可尽量减小系统的ROM和RAM大小。
　　ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的RISC微处理器结构，它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。当前ARM系列的处理器有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11等多个产品。CortexM3内核是 ARM公司于2006年推出的一款高性能处理器内核，是ARM新型 V7指令集结构系列的微控制器版本，可用于企业应用、汽车系统、家庭网络和无线技术等领域。其主要特点是：
　　① 功耗低；
　　② 内核的门数少，具有优异的性价比；
　　③ 中断延时短；
　　④ 调试成本低；
　　⑤ 具有嵌套向量中断控制器（NVIC），与处理器内核紧密结合实现低延迟的中断处理；
　　⑥ 具有可裁减的存储器保护单元（MPU），用于对存储器进行保护。
2 移植μC/OSII
　　Luminary Micro公司的LM3S系列微控制器包含运行在 50 MHz频率下的ARM CortexM3 MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、1个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM以及正交编码器（quadrature encoder）输入，非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电源设备、步进电机、有刷和无刷DC马达、AC感应电动机等方面的应用。
　　本移植在如下环境中完成：编译工具采用IAR FOR ARM,目标板采用周立功公司的LM3S8962微控制器EasyARM8962开发板。主机通过LMLINK JTAG连接目标板以建立交叉开发调试环境。
　　移植过程中,μC/OSII的核心源代码不用修改,可以直接放在μC/OSII Source文件夹中。μC/OSII\\Ports目录存放μC/OSII基于LM3S单片机的移植代码，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU.H三个必要的文件。Target目录中的Startup.S文件是单片机的启动代码和中断向量表，Target.C和Target.H提供单片机初始化函数TargetInit（）和其他简单的外设控制API函数。层次结构如图1所示。

　　将μC/OSII移植到ARM处理器上需要修改3个与ARM体系结构相关的文件： OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。下面分别介绍这3个文件的移植工作。
　　（1） OS_CPU.H文件
　　包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定义类型等。
　　① OS_CPU.H定义的数据类型。在这次移植中μC/OSII重新定义了数据类型，如下所示：
　　② 修改与ARM处理器相关的内容。不同处理器的堆栈增长方向是不一样的，ARM CortexM3的堆栈是从高地址往低地址增长的，OS_STK_GROWTH设为1，程序如下：
  
#defineOS_STK_GROWTH1
　　（2） OS_CPU_C.C文件
　　在OS_CPU_C.C定义的C函数中，OSTaskStkInit（）函数与CPU相关，所以移植代码需要修改该函数。其程序如下（初始化任务时调用此函数初始化任务使用的堆栈）：
　　（3） OS_CPU_A.ASM文件
　　μC/OSII的移植需要编写5个简单的汇编语言函数。
　　① OS_ENTER _CRITICAL（ ）： 关闭中断源。
　　② OS_EXIT_CRITICAL（ ）： 重开中断源。
　　③ OSStartHighRdy（ ）： 运行当前优先级最高的任务。
　　④ OSCtxSw（ ）： 一个任务放弃CPU使用权时调用。
　　⑤ OSIntCtxSw（）： 在退出中断服务函数OSIntExit（）中被调用，实现中断级任务切换。 

　　因为LM3S单片机目前只支持8位中断优先级中的高3位，所以这里把1左移5位即是00100000B,其宏定义为OS_CRITICAL_INT_PRIOEQU（1<<5）。
　　ARM CortexM3使用OSPendSV（ ）函数快捷地进行上下文切换。OSPendSV（ ）的C语言表述程序如下：

　　完成上述工作后，只要再根据目标板的实际情况编写Target目录中的3个文件，μC/OSII就可以运行在LM3S8962单片机上了。
3 实际应用
　　移植工作完成后，编写了一段程序，可以进行CAN通信，按键控制LED灯，通过RS232串口与主机相连实现对SD卡的读写等操作。下面是程序的部分代码：
　　在Main.H中定义任务优先级为：
　　其中创建任务的任务代码为：

　　SDExample为方便观察SD卡操作任务编写的GUI界面，选好与程序对应的串口波特率，连接好硬件。从图2可以看到，对SD卡可以进行成功操作。
结语
　　μC/OSII作为一个优秀的实时操作系统，已经被移植到各种体系结构的微处理器上。本设计实现了其在LM3S8962上的成功移植，并通过一个实例验证了移植的正确性。本次移植只是做了一些基础性工作，在此基础上还可进行进一步的开发，充分利用LM3S系列单片机的性能和μC/OSII的特点，在检测与维修领域发挥一定作用。
参考文献
　　[1] Labrosse Jean J. 嵌入式实时操作系统μC/OSII[M]. 邵贝贝，等译.第2版. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
　　[2] 赵宁，陈明，何鹏举.嵌入式操作系统μC/OSII在ARM上的移植与应用[J].计算机技术与应用,2004（4）:2931.
　　[3] 周立功，等.CortexM3开发指南——基于LM3S8000，2007.
　　[4] 周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.