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μC/OS-II在凌陽單片機(jī)SPCE061A上的移植
摘要：以凌陽單片機(jī)為例詳細(xì)介紹μC/OS-II的移植方法；重點(diǎn)講解在系統(tǒng)移植過程中一些難以理解的概念，并首次實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II在凌陽SPCE061A單片機(jī)上的移植。目前，實(shí)時操作系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。μC/OS-II作為一個實(shí)時內(nèi)核，由于其源碼公開、代碼規(guī)范，廣受開發(fā)人員的喜愛。SPCE061A是凌陽公司繼μ’nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后新推出的一款16位單片機(jī)，內(nèi)部集成A/D、D/A等多種接口電路，能很方便地嵌入工業(yè)控制的各種場合。更重要的是，其內(nèi)嵌2K字的SRAM和32K的Flash ROM，因此，在不需要擴(kuò)展外部存儲器的情況下就可以實(shí)現(xiàn)μC/OS-II系統(tǒng)的移植。
1 μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)介紹
μC/OS-II是一種專門為微控制器設(shè)計(jì)的搶占式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進(jìn)程管理、時間管理、內(nèi)存管理等服務(wù)。系統(tǒng)最多支持56個任務(wù)，每個任務(wù)均有一個獨(dú)有的優(yōu)先級。由于其內(nèi)核為搶先式，所以總是處于運(yùn)行態(tài)最高優(yōu)先級的任務(wù)占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信以及進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。
2 μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與移植
μC/OS-II的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。這三個文件是與芯片的硬件特性有關(guān)的，它們主要提供任務(wù)切換與系統(tǒng)時鐘的功能。其它文件用C寫成，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供任務(wù)管理、任務(wù)之間通信、時間管理以及內(nèi)存管理等功能。
眾所周知，μC/OS-II是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)。既然是多任務(wù)，就需要解決任務(wù)切換的問題。任務(wù)切換是在進(jìn)行系統(tǒng)移植過程需要解決的最主要的問題。由于任務(wù)切換涉及到對芯片寄存器的操作，所以它主要用匯編語言寫成，因此，對于不同的單片機(jī)，其任務(wù)切換的代碼是不同的；但是只要理解其原理，就能舉一反三，以不變應(yīng)萬變。下文將重點(diǎn)講解任務(wù)切換的原理。多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時每個任務(wù)好像獨(dú)立占用CPU一樣，因此系統(tǒng)必須為每個任務(wù)開辟一塊內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧。該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。根據(jù)以上討論，可總結(jié)出在進(jìn)行任務(wù)切換時需要完成的工作，主要步驟如下：
�、� 將當(dāng)前任務(wù)CPU所有的寄存器壓棧；
�、� 將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中；
�、� 得到下一個處于運(yùn)行態(tài)優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧的指針；
�、� 恢復(fù)下一個任務(wù)的CPU寄存器的值；
⑤ 恢復(fù)下一個任務(wù)的系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù)；
⑥ 通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令，間接修改PC寄存器的值來進(jìn)行任務(wù)切換。
在為μCOS-II編寫任務(wù)切換代碼時需要注意的是：μCOS-II在每次發(fā)生中斷后都會產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度，但在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換，不能調(diào)用普通任務(wù)切換函數(shù)，這是因?yàn)樵谥袛噙^程中往往伴隨將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。以凌陽單片機(jī)為例，在中斷后，芯片將PC和SR寄存器的值壓入堆棧，因此，在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換中必須對堆棧指針進(jìn)行調(diào)整。
在系統(tǒng)移植過程中另一個較為重要的部分是系統(tǒng)時鐘。μCOS-II要求系統(tǒng)能產(chǎn)生10~100Hz的時鐘節(jié)拍。該時鐘節(jié)拍由硬件定時器產(chǎn)生。仍以凌陽單片機(jī)為例，可選用時基信號TMB2產(chǎn)生128Hz中斷，作為系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生源。系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)子程序用匯編語言寫成，由于其主要功能在用C編寫的子函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，因此，編寫該服務(wù)子程序的難度不大。
3 μC/OS-II BSP代碼的編寫
BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它對底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的硬件。我們以凌陽SPACE061A單片機(jī)為例介紹BSP代碼的編寫。
3.1 任務(wù)切換
凌陽SPACE061A單片機(jī)有R1~R5 五個通用寄存器，還有1個SR（CPU狀態(tài)寄存器），再加上PC，總共有7個CPU內(nèi)部寄存器在任務(wù)切換時需要保存。μCOS-II系統(tǒng)調(diào)用OSCtxSw( )來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，下面給出其部分代碼：
_OSCtxSw:
PUSHALL // 將所有寄存器壓棧
OSIntCtxSw_in:
// 求出系統(tǒng)堆棧的長度 ,并將其存入R2
R1=SP
R2=OSStkStart
R1 =1
R2=R2-R1
R1=[_OSTCBCμγ]// R1≤OSTCBStkPtr， R1 為任
//務(wù)堆棧的頭指針
R1=[R1] // 首先將系統(tǒng)堆棧長度保存在任
//務(wù)堆棧中
[R1]=R2
R3=OSStkStart // 得到堆棧的起始地址
// 保存系統(tǒng)堆棧到任務(wù)堆棧
save_stack:
R3-=1
R1 =1
R4=[R3]
[R1]=R4
R2-=1
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