μC/OS-II在LPC213X上的多种移植方案

2007-10-11 10:52:18来源: 单片机及嵌入式系统应用
μC/OS-II是可移植、适用于对安全性要求苛刻的剥夺型实时多任务嵌入式系统,简单易学,在工程应用和嵌入式系统教学中很受欢迎。LPC213X是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的32位RISC微处理器,也适合于ARM学习开发平台和工程应用。

1 与μC/OS-II移植工作相关的主要特性

ARM体系结构分为7种运行模式,ARM和Thumb两种工作状态。LPC213X的编程模型就是标准的ARM7体系结构;同时LPC213X也具备ARM的标准异常模式IRQ和FIQ。稍具特色的是其VIC向量中断控制器。分别对IRQ、FIQ、非向量中断和软件中断进行了分类,具有对32个中断输入的可编程分配机制。这对于μC/OS-II的移植至关重要。

芯片内部的RTC实时时钟可由独立的32 MHz晶振或基于VPB时钟的可编程预分频提供,作为实时系统的时钟节拍来源。

2 μC/OS-II移植的主要工作

移植工作分为编译器相关和处理器相关两部分。前者主要涉及数据类型定义、代码格式、头文件组织、条件编译选项及混合编程等;后者主要涉及开关中断、堆栈方向、任务栈结构初始化、任务调度、中断控制和响应、时钟节拍处理和高优先级任务执行等。

主要是编写3个文件:OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S。其中l主要包含以下几个重要函数;OSTaskStkInit()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()和OSTickISR()等。另外,还须编写配置文件、引导及初始化代码和调试等。

3 两个可行的移植方案

针对ARM所具有的7种不同运行模式,移植μC/OS-II系统时采用的处理器模式方案是多样的。例如,可以让系统运行在SVC管理模式,SWI软中断也用SVC模式,其他为异常模式;也可以使μC/OS-II运行在SYS系统模式;还可以使μC/OS-Il运行于用户模式,任务或中断切换时将其从SVC模式或IRQ、FlQ模式切换到SYS模式处理堆栈。在此形成以下两种方案,并结合移植过程进行简要分析。

方案一:系统运行于SVC管理模式,异常运行于异常模式。

①开关中断。设置这种方案中OS_CRITICAL_METHOD为3,则开中断过程为先保存CPSR寄存器值到RO,通过设置CPSR6、CPSR7两位禁止FIQ和IRQ,关中断则恢复原先开中断时保存在R0中的CPSR。

②任务切换。因为非异常任务都运行在SVC模式,所以任务切换要做的只是保存旧任务的寄存器状态到堆栈,并且恢复新任务的堆栈状态到寄存器当中,相关函数为OSCtxSw()。要注意在这里上下文切换中无须对SPSR负责,因为SPSR是备份CPSR寄存器,只有当模式切换从FIQ、IRQ模式退出时才发生作用。换句话讲,SPSR总是在中断禁止时才发生作用。

③中断级任务切换和相应中断机制。中断异常分为FIQ和IRQ异常。IRQ的中断级任务切换过程OS_CPU_IRQ_ISR()如图1所示。

由图1可知,该函数作为μC/OS-II系统的中断调度函数,进入中断IRQ模式后立即返回SVC模式保存原先任务状态;再回到IRQ执行用户级中断处理代码OS_CPU_IRQ_ISR_Handler();完成后返回SVC模式运行最高优先级任务。

LPC213X具有VIC向量中断控制器,把所有中断分为FIQ、向最中断和非向量中断。FIQ从中断向量表处开始处理程序,直接在用户中断处理代码OS_CPU_FTQ_ISR_Handler()里调用中断处理程序;而向量中断IRQ在响应时会在VICVectAddr(0xFFFFF030)寄存器上出现该中断处理程序的首地址。所以作为μC/OS-II的IRQ的用户中断处理代码,必须进行如下处理:

④中断向量表。在该方案的中断向量表中,FIQ和IRQ中断向量填写的是程序跳转指令。其中FIQ跳到OS_CPU_FIQ_ISR(),IRQ跳到OS_CPU_IRQ_ISR()。

⑤时钟节拍的产生。μC/OS-II时钟节拍需要lO~100ms一次的精确间隔。LPC213X使用11 MHz的外部晶振,外设时钟与系统时钟频分比设为l,而RTC设置外设时钟为时钟源,然后把Timer0作为向量中断IRQ,编写时钟中断处理程序实现时钟节拍。

方案二:系统运行于SYS系统模式,异常服务程序处理在SYS系统模式下执行,软中断处理在管理模式下执行。

①开关中断。该方案下OS_CRITICAL_METHOD为2,具体过程不直接从汇编代码实现,而是通过软件中断SWI系统服务来实现。开关中断在SVC管理模式下进行,因为ARM决定CPSR可以在任意模式下被访问。

②任务切换。任务切换包括任务级调度切换和中断处理程序调度切换。任务级切换采用软中断SWI方式实现,需要注意的是此时SWI中断处理程序并不返回,所以每次SWI中断一开始就重新初始化SVC管理模式的堆栈地址空间,否则会造成内存泄漏或溢出。其流程如图2所示。

图2中,第一步为软件中断通用处理过程,是每一个软件中断都必须运行的代码;而后几步为任务调度所要做的代码,具体调度由OSCtxSw实现上下文切换。整体利用宏OS_TASK_SW()实现,在OS_CPU.H中定义该宏为软中断,并分配中断号0。

③中断级任务切换。根据LPC213X处理器的VIC控制特点,采用前后台系统的传统处理方法进行中断处理程序调用,只是每个中断处理程序都加上相同的任务上下文切换相关代码,这些代码采用宏汇编的方法实现。具体流程如图3所示。从图中可以看出,保存上下文和恢复就绪任务都是在IRQ模式下进行的,而用户级处理程序在SYS模式下进行的,与前一种方案刚好相反。但是,这样设计中断调度并利用宏汇编实现使得当系统中断处理调用较多时重复代码量增加。

④中断向量表。在该方案的中断向量表中,FIQ和IRQ等中断向量填写的是宏汇编函数相对应的中断处理服务程序的名字,不作特殊处理。

⑤时钟节拍的产生。该方案的时钟节拍与前一方案的产生方法相同。

4 系统启动和引导过程

除了以上这些移植代码,系统启动还有很多工作要做,其流程如图4所示。

图4中中断向量表的配置要根据以上两种方案分别做工作,而初始化模式堆栈则是不同模式都必须完成的工作。用户级的初始化代码可以写在外围设备初始化中。

5 移植代码调试过程

多任务系统移植代码调试有时不能单步调试,时钟节拍的引入令系统比前后台系统复杂得多,所以要有好的调试方法。可以采用以下调试步骤:

①关闭时钟节拍,即关闭时钟中断单步调试,看系统会不会进入Taskldle任务;

②关闭时钟节拍,同时分别调试FIQ和IRQ中断代码;

③开时钟节拍,单独调试时钟中断ISR;

④编写简单的多任务程序(1个或2个),同时在每一个任务中调用OSTimaDly(1)函数,查看具体的进程调度过程。(多种方案的移植代码见本刊网站www.mesnet.com.cn——编者注)

6 总 结

在各种系统的移植过程中发生问题最多的是内存泄赫,这常常导致芯片发生代码预取或数据中止异常。对应用系统来说,应该对这类中止异常做相应的提示。

μC/OS-II移植综合性较强,在移植前必须领会多任务切换原理和系统内核结构,熟悉ARM汇编语言和编程模型,了解启动代码内容、编译器及芯片中断系统等。该丁作看似简单但其实内容丰富,需要较全面的软硬件知识。

本文给出的两种移植方案切实可行,运行效率较高,在其他ARM7TDMI核的芯片上做小改动后也可以应用;同时,对其他嵌入式系统在不带MMU内存管理模块处理器上的移植也有很好的参考价值。免费提供本文相关代码,请联系wlazhenqian@hotmail.com。

关键字:汇编  平台  开发  时钟

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