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實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II在MPC555上的移植
摘要：介紹了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II的特點(diǎn)和內(nèi)核結(jié)構(gòu)，并首次實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應(yīng)用方法。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務(wù)、移植性非常強(qiáng)的免費(fèi)微控制器嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，從１９９２年出現(xiàn)以來(lái)，已在照相機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和工業(yè)機(jī)器人等多種領(lǐng)域中得到應(yīng)用。它一方面相對(duì)ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出來(lái)的ＥＯＳ更小巧且移植方便，實(shí)時(shí)性更好，更適合工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用；另一方面由于是免費(fèi)的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業(yè)實(shí)時(shí)ＥＯＳ大大節(jié)省成本，非常適用于開發(fā)實(shí)用簡(jiǎn)約的嵌入式控制程序。
摩托羅拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ體系結(jié)構(gòu)上，采用ＲＩＳＣ技術(shù)的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內(nèi)嵌增加了浮點(diǎn)單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態(tài)ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內(nèi)Ｆｌａｓｈ、一個(gè)ＱＳＭＣＭ（串行通訊模塊）、兩個(gè)ＴｏｕＣＡＮ模塊、兩個(gè)ＴＰＵ、一個(gè)ＭＩＯＳ（模塊化Ｉ／Ｏ系統(tǒng)）、兩個(gè)ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達(dá)４０ＭＨｚ。另外芯片體積小，僅為２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有這些特性使其特別適用于汽車等現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域的嵌入式微控制系統(tǒng)。
將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車用控制器上的應(yīng)用，其成果也可以用于其他嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５編譯調(diào)試環(huán)境。
１ 移植原理
μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)之間通信管理和內(nèi)存管理五方面功能。其結(jié)構(gòu)共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關(guān)的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個(gè)文件。該層完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、出入中斷的管理和任務(wù)切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時(shí)間管理、任務(wù)調(diào)度管理、任務(wù)間的通信管理和內(nèi)存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無(wú)關(guān)，它為用戶應(yīng)用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應(yīng)用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務(wù)兩個(gè)處理級(jí)別，用戶可以建立自己的任務(wù)，編寫必要的中斷子程，在任務(wù)之間或任務(wù)與中斷子程之間建立信號(hào)量、郵箱或消息隊(duì)列完成控制器軟件的編寫。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在移植過(guò)程中，只需將Ｉ層代碼針對(duì)ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改動(dòng)，使其完成系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、中斷管理和任務(wù)切換功能即可。
在前后臺(tái)系統(tǒng)中，提供一個(gè)ＣＰＵ堆棧。發(fā)生中斷時(shí)，將當(dāng)前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。
在多任務(wù)系統(tǒng)μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創(chuàng)建時(shí)，為每個(gè)任務(wù)建立并初始化一個(gè)堆棧。當(dāng)發(fā)生中斷或任務(wù)切換時(shí)，把當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)保存起來(lái)，即將所有寄存器保存到該“舊”任務(wù)的堆棧中。當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要從就緒狀態(tài)激活到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務(wù)的堆棧中彈出。這樣，每個(gè)任務(wù)分時(shí)占用ＣＰＵ。而對(duì)各任務(wù)來(lái)說(shuō)，每次進(jìn)入運(yùn)行態(tài)時(shí)，ＣＰＵ狀態(tài)都與上次從運(yùn)行態(tài)退出時(shí)完全一樣。所以不再是使用一個(gè)ＣＰＵ堆棧，而是多個(gè)任務(wù)將各自的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)保存到自己的堆棧中。
圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖
另外，調(diào)用Ｃ函數(shù)時(shí)也會(huì)使用到堆棧，此時(shí)編譯器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)堆棧；在Ｃ函數(shù)返回時(shí)，將其釋放。其大小因Ｃ函數(shù)使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時(shí)，能夠正確創(chuàng)建、初始化、保存并恢復(fù)各個(gè)任務(wù)的堆棧，是確保ＯＳ任務(wù)切換和中斷管理順利完成的關(guān)鍵。
ＭＰＣ５５５有３２個(gè)３２ｂｉｔ通用定點(diǎn)數(shù)寄存器，３２個(gè)６４ｂｉｔ浮點(diǎn)數(shù)寄存器，另有９個(gè)控制／狀態(tài)寄存器。針對(duì)ＭＰＣ５５５的編程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如表１的堆棧結(jié)構(gòu)。每次任務(wù)環(huán)境入棧時(shí)創(chuàng)建一含７３個(gè)位置的堆棧，為了保證浮點(diǎn)數(shù)寄存器的完整，每個(gè)位置為６４ｂｉｔ寬。創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，建立該堆棧結(jié)構(gòu)，并用默認(rèn)值對(duì)其進(jìn)行初始化。在任務(wù)保存或激活時(shí)把寄存器的值保存到堆棧中相應(yīng)位置，或者從堆棧的相應(yīng)位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時(shí)，要注意控制好ＳＰ。
表1 堆棧結(jié)構(gòu)表
328
320～80
72
64
56
48
40
32
24
16
8
0FP31～FP0
FPSCR
GPR31～GPR0
DAR
CTX
LR
XER
CR
SRR1
SRR0
MSR
SP（GPR1）
73～42
41
40～10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
00.0
0x000020FC0000
0x0
0x00
0x00
task*0x100000000[1]
0x00
0x00
0x0000B00200000000
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