王嘯等

摘 要： 在微控制器中使用實時內(nèi)核可以簡化嵌入式應(yīng)用開發(fā)。簡單介紹了μC/OS?Ⅲ實時內(nèi)核和Cortex?M3內(nèi)核的相關(guān)內(nèi)容，將μC/OS?Ⅲ實時內(nèi)核移植到F28M35x多內(nèi)核片上系統(tǒng)微控制器中，并闡述了μC/OS?Ⅲ實時內(nèi)核中任務(wù)的創(chuàng)建和調(diào)度原理，最終在目標板上運行并進行多任務(wù)切換。

關(guān)鍵詞： μC/OS?Ⅲ； 嵌套向量中斷控制器； 實時內(nèi)核； 任務(wù)切換

中圖分類號： TN919?34； TP316.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0159?03

Transplantation of μC/OS?Ⅲ real?time kernel on F28M35x device

WANG Xiao， MEI Jialun， CHEN Yue

（Ningbo CSR Times Transducer Techinique Co.，Ltd， Ningbo 315020， China）

Abstract： Application of real?time kernel in microcontroller can simplify the development of embedded application. The related contents of μC/OS?Ⅲ real?time kernel and Cortex?M3 kernel are introduced briefly in this paper， in which the μC/OS?Ⅲ real?time kernel is transplanted into SOC microcontroller of F28M35x dual?core device. The principles of task creation and dispatch in μC/OS?Ⅲ real?time kernel are elaborated. It was operated on target board and switched among multitasks.

Keywords： μC/OS?Ⅲ； nested vectored interrupt controller； real?time kernel； task switch

0 引 言

μC/OS?Ⅲ（Micro C OS Three，微型的C語言編寫的操作系統(tǒng)第3版）是一個可升級的、可固化的、基于優(yōu)先級的實時內(nèi)核，Micrium公司于2011年8月公開原碼，它具備良好的移植性，可以在多種微控制器中運行，加快了嵌入式軟件應(yīng)用開發(fā)。相比上一代μC/OS?Ⅱ，μC/OS?Ⅲ可以將多個任務(wù)設(shè)置在同一優(yōu)先級上，并按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，且任務(wù)數(shù)量是無限制的[1]。而隨著ARM在嵌入式領(lǐng)域的不斷發(fā)展，Cortex?M3器件在嵌入式領(lǐng)域可謂風生水起，它高效的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）、高性能的RISC（Reduced Instruction Set Computer）以及固定的存儲器位置意味著以它為內(nèi)核的微控制器都可以方便地移植軟件，因此在Cortex?M3上使用μC/OS?Ⅲ實時內(nèi)核是極為方便的[2]。

1 F28M35x器件和μC/OS?Ⅲ

F28M35x器件內(nèi)部集成了Cortex?M3內(nèi)核和DSP?C28內(nèi)核，可以通過核間通信交互協(xié)作[3]。高達132 KB的片上RAM、完善的外設(shè)和高速的時鐘意味著它可以勝任許多任務(wù)：從通信到實時控制。M3內(nèi)核高效的架構(gòu)和快速的中斷響應(yīng)，使其適合使用嵌入式實時內(nèi)核[4]。Cortex?M3配備的MPU還具備特權(quán)級和用戶級操作，增加安全性[5]。

μC/OS?Ⅲ和Cortex?M3是密切相連的，主要包括NVIC（嵌套向量中斷控制器）、PendSV（可掛起的系統(tǒng)服務(wù)請求）、SysTick（系統(tǒng)節(jié)拍定時器）等。NVIC是與M3內(nèi)核緊密相聯(lián)的中斷控制器，它支持中斷嵌套、動態(tài)優(yōu)先級、中斷屏蔽等，移植μC/OS?Ⅲ離不開它。PendSV典型的應(yīng)用場合是上下文切換，它通過操作系統(tǒng)掛起中斷，其優(yōu)先級被設(shè)置為所有中斷中最低，所有其他的中斷服務(wù)都執(zhí)行完畢時它才會被執(zhí)行，最終實現(xiàn)任務(wù)切換。而SysTick作為系統(tǒng)的心跳，會尋找優(yōu)先級最高的任務(wù)，在多任務(wù)調(diào)度中起著關(guān)鍵的作用[6]。

在Micrium網(wǎng)站可以找到μC/OS?Ⅲ源代碼，配合TI提供的Mware庫和Code Composer Studio IDE及controlSUITE，移植工作就可以輕松展開。

2 μC/OS?Ⅲ移植工作

2.1 文件結(jié)構(gòu)

μC/OS?Ⅲ工程中的文件可以分為5個部分：實時內(nèi)核相關(guān)、CPU相關(guān)、板級支持、芯片級支持、常用庫支持。為了讓芯片正常工作，需要修改板級的代碼如時鐘配置和初始化。其次，對于不同編譯器、不同微控制器，內(nèi)核和CPU部分的代碼也需要調(diào)整。μC/OS?Ⅲ還提供了獨立于編譯器和CPU的數(shù)據(jù)類型、函數(shù)接口等，方便修改。此外，字符串處理、數(shù)學庫等也獨立提供，方便不同平臺移植。

2.2 內(nèi)核相關(guān)

與內(nèi)核相關(guān)的文件名都以os開頭，其最重要的核心內(nèi)容在os_cpu_a.asm中，也是修改的首要對象。內(nèi)核最重要的工作是負責任務(wù)調(diào)度。在創(chuàng)建好任務(wù)并開始運行μC/OS?Ⅲ時，CPU首先要選擇最高優(yōu)先級且已就緒的任務(wù)來執(zhí)行，這個事件由OSStartHighRdy（）來執(zhí)行，它在OSStart（）中調(diào)用一次。內(nèi)容包括：將PendSV中斷優(yōu)先級設(shè)為最低，將進程棧指針PSP清零準備首次上下文切換，將主棧指針MSP設(shè)為為其分配的內(nèi)存地址，掛起PendSV中斷并開啟中斷。注意它只運行一次。修改后的內(nèi)容如圖1所示。其中NVIC寄存器和分配的堆棧地址宏是事先定義的，在CCS（Code Composer Studio）中用.word關(guān)鍵詞，此外，全局符號用.global，外部引用用.ref關(guān)鍵詞。

圖1 與內(nèi)核相關(guān)的改動

在這之后就開始了多任務(wù)調(diào)度模式。在Cortex?M3中，上下文切換只需手動保存和恢復(fù)R4?R11和PSP寄存器，xPSR，PC，LR，R12，R0?R3由硬件自動管理[7]。由于PendSV的優(yōu)先級已經(jīng)被設(shè)為最低，因此可利用它的緩期執(zhí)行特點來切換任務(wù)，當執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用如延時或時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度時可觸發(fā)上下文切換，它會在其他重要的任務(wù)都完成后才會執(zhí)行動作。因為當其他中斷在執(zhí)行時如果產(chǎn)生了上下文切換，將產(chǎn)生錯誤中斷。而PendSV的機制會確保這一切準確無誤且不會占用太多CPU資源。修改方式類似OSStartHighRdy（）。

在uC/OS?Ⅲ中，任務(wù)調(diào)度由OSSched（）來進行，它不斷找出優(yōu)先級最高且就緒的任務(wù)，并掛起PendSV中斷來調(diào)度。它在系統(tǒng)延時、事件同步中都會被調(diào)用到，而中斷到任務(wù)的調(diào)度則在OSIntExit（）中，即退出中斷時引用，最終也是通過掛起PendSV來調(diào)度的。

2.3 CPU相關(guān)

與CPU相關(guān)的改動主要在cpu_a.asm中。這里定義了開關(guān)中斷、臨界區(qū)函數(shù)等內(nèi)容。臨界區(qū)又叫關(guān)鍵代碼段，在執(zhí)行時絕對不能被打斷，因此中斷必須被關(guān)閉。將中斷信息保存起來然后在退出臨界區(qū)前再恢復(fù)，才能保證系統(tǒng)正確執(zhí)行。這些由CPU_SR_Save和CPU_SR_Restore來執(zhí)行，它們是成對使用的。修改后的代碼如圖2所示。

圖2 與CPU相關(guān)的改動

任務(wù)調(diào)度過程中，可以利用Cortex?M3的指令CLZ查找優(yōu)先級最高的任務(wù)，而不必采用以往查表的方式。CLZ指令可找出一個字的第一個有效位的位數(shù)，將它寫成一段匯編指令如圖2所示，它在OS_PrioGetHighest中引用，用于優(yōu)先級調(diào)度。

此外，在cpu.h中給出處理器的數(shù)據(jù)類型、字長、棧、臨界區(qū)等定義。Cortex?M3字長為32位，堆棧類型為滿遞減堆棧[8]（FD）。

2.4 板級支持

在bsp.c中包含了板級初始化的內(nèi)容，包括配置時鐘、配置SysTick中斷、配置LED的GPIO，如圖3所示。在TI提供的例程中可以找到完善的初始化方法，它們更加簡潔。注意在此處即可打開SysTick中斷，周期為1 ms。中斷入口為OS_CPU_SysTickHandler，將它寫入到啟動文件的中斷向量表中。這些內(nèi)容修改完以后，再選擇自己手頭板載的LED燈管腳來配置。在TI的TMDXDOCKH52C1開發(fā)板上LED燈使用了PC6，PC7引腳。打開GPIOC時鐘并將引腳配置為輸出。如果使用了CCS提供的啟動文件，要將中段向量地址手動傳入到RAM中，可以使用IntFlashVTable（）來實現(xiàn)。

完成所有修改以后就可以編譯工程了。

3 任務(wù)調(diào)度

在創(chuàng)建自己的任務(wù)以前先了解一下任務(wù)優(yōu)先級的概念。在μC/OS?Ⅲ中任務(wù)的優(yōu)先級在創(chuàng)建任務(wù)時被傳入，其值越大優(yōu)先級越低，因此優(yōu)先級0為最高優(yōu)先級，空閑任務(wù)的優(yōu)先級為優(yōu)先級最大值減去1。優(yōu)先級最大值默認為10。

圖3 板級初始化

接下來需要了解任務(wù)是如何調(diào)度的。通常來說在使用系統(tǒng)延時OSTimeDlyHMSM或OSTimeDly時，等待同步事件如信號量到來，即任務(wù)進入阻塞狀態(tài)時系統(tǒng)會進行任務(wù)調(diào)度，開始執(zhí)行已經(jīng)就緒的任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。此外，系統(tǒng)內(nèi)部時基任務(wù)OSTickTask也可以用于任務(wù)切換，它在創(chuàng)建時被設(shè)置的默認優(yōu)先級為7，用戶可以修改它的優(yōu)先級，通常來說它的優(yōu)先級應(yīng)該設(shè)置為比重要任務(wù)的優(yōu)先級稍低，但高于那些希望被搶占的任務(wù)。例如有一個低優(yōu)先級的任務(wù)是一個死循環(huán)而沒有阻塞，高優(yōu)先級的任務(wù)在就緒時希望去搶占這個低優(yōu)先級的任務(wù)，在μC/OS?Ⅲ中就是由OSTickTask這個任務(wù)來實現(xiàn)的，但OSTickTask的優(yōu)先級應(yīng)該要高于那個低優(yōu)先級的任務(wù)[9]。

現(xiàn)在分別創(chuàng)建TaskLED1，TaskLED2，TaskUART三個任務(wù)，分別控制2盞LED燈和輸出OSTaskCtxSwCtr任務(wù)切換值，并賦予不同優(yōu)先級，如圖4所示。可以看到燈開始閃爍并且串口有信息輸出，可見任務(wù)調(diào)度是成功的。在μC/OS?Ⅲ中可以創(chuàng)建足夠多的任務(wù)，只要內(nèi)存足夠使用[10]。學會了任務(wù)創(chuàng)建和任務(wù)調(diào)度以后，操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)的使用方法就已經(jīng)掌握了。

4 結(jié) 語

本文對μC/OS?Ⅲ實時內(nèi)核進行了深入探討并闡述了核心內(nèi)容，通過將其移植到F28M35x器件平臺中實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，了解了μC/OS?Ⅲ的使用原理。由于μC/OS?Ⅲ可在眾多器件中移植，因而應(yīng)用的開發(fā)將變得十分容易，可以簡化軟件框架的部署，將更多精力用于應(yīng)用層設(shè)計，為工程開發(fā)提供了更多的選擇。

參考文獻

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[9] 黃土琛，宮輝，邵貝貝.μC/OS?Ⅲ對任務(wù)調(diào)度的改進[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（11）：78?80.

[10] MANOJ K R B， SATYANARAYANA G S R， SEETARAMANJANEYULU B. Scheduling latency comparison of two open?source RTOSs on CORTEX?M3 [C]// Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Embedded Systems. Coimbatore： IEEE， 2014： 59?62.