實時操作系統μC/OS-II在MCF5272上的移植

圖1說明了μC/OS-II的軟硬件體系結構。應用程序處于整個系統的頂層，每個任務都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設計成為一個無限循環。μC/OS-II處理器無關的代碼提供μC/OS-II的系統服務，應用程序可以使用這些API函數進行內存管理、任務間通信以及創建、刪除任務等。
大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：
（1）處理器的C編譯器可以產生可重入代碼；
（2）可以使用C調用進入和退出Critical Code(臨界區代碼)；
（3）處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；
（4）處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧；
（5）處理器需要有能夠在CPU寄存器與內存和堆棧交換數據的指令。
移值μC/OS-II的主要工作就是處理器和編譯器相關代碼以及BSP的編寫。
2 μC/OS-II DSP編寫
BSP（板級支持包）是介于底層硬件和操作系統之間的軟件層次，它完成系統上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統不再面對具體的操作。
為μC/OS-II編寫一個簡單的BSP。它首先設置CPU內部寄存器和系統堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調用環境；然后可以方便地使用C語言設置MCF5272片選地址（CS0～CS7）、GPIO以及SDRAM控制器，初始化串口（UART0）作為默認打印口，并向操作系統提供一些硬件相關例程和函數如dprintf()，以方便調試；在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權交給操作系統了。
MCF5272處理器將系統上電作為2號異常，因此需要在異常矢量表中相應位置填寫第一條命令的物理地址，這可以在編譯時自動完成。該矢量表必須存放在CS0對應的FLASH中供CPU上電時自動讀取。如：
_vectors： //矢量表起始地址
.long 0x0,_start,_fault,_fault,… //初始化1K字節矢量表
……
_start: nop //第一條指令
move.w #0x2700,%sr //屏蔽所有中斷
move.1 #_vectors,%d0
move.c %d0,%VBR //#vectors->VBR
move.1 #0x10000001,%d0
move.c %d0,%MBAR //SIM單元基地址0x10000000
move.1 #0x20000001,%a0 //SRAM起始地址0x20000000
move.c %a0,%RAMBAR0 //初始化內部SRAM
move.1 #0x20001001,%a7 //設置堆棧指針
……
jsr cpu_init //調用cpu_init初始化SIM單元
jsr ucos_start //啟動μC/OS-II
……
其中，cpu_init函數用于初始化CPU內部SIM單元、SDRAM控制器、UART串口。值得注意的是SDRAM初始化，不同生產商的SDRAM的初始化時序有一定差異。
BSP在完成片級和板級初始化后，還負責初始化程序自身，如將.data段的內容從只讀的ROM復制到SDRAM中，建立運行時環境。以下是建立程序數據段的代碼：
memcpy(&_sdata,&_etext,(&_edata-&_sdata))； //拷貝.data段
memset(&_sbss,0,(&_ebss - &_sbss)); //將.bss段清零
還需要為μC/OS-II編寫4個簡單的匯編函數。在每個硬件時鐘到來后，μC/OS-II會在中斷服務例程中調用OSIntCtxSw（）進行任務調度；另外，當某個任務因等待資源而被掛起時，沒有必要等到自己的時間片全都用完，可以自己主動放棄CPU，這可以通過調用一個任務級的任務調度函數OSCtxSw()來實現。其中相對復雜的是OSIntCtxSw()。由于OSTickISR（）調用了OSIntExit（），OSIntExit（）又再次調用了OSIntCtxSw()，如果進行任務切換，那么兩次調用都不會返回，而不同的C編譯器、不同的編譯選項處理C調用時對堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw()是編譯器相關的。GCC在使用2～4級優化時，在主調函數中會是一個jsr跳轉指令，而被調函數以linkw %fp,#<d0>開始。這兩條指令都會影響堆棧指針。為了實現任務切換，必須重新調整堆棧指針以補償調用的影響。一個完整過程如下：
OSIntCtxSw：
adda.1 #16,%a7 //棧補償，GCC-O2->-04優化
move.1 (OSTCBCur)，%a1
move.1 %a7,(%a1) //OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP
jsr OSTaskSwHook //調和Hook鉤子函數
/*OSTCBCur->OSTCBStkPtr=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr*/
move.1 (OSTCBHighRdy),%a1
move.1 %a1,(OSTCBCur)
move.b (OSPrioHighRdy),%d0
move.b %d0,(OSPrioCur) //OSPrioCur=OSPrioHighRdy
move.1 (%a1),%a7 //SP=OSTCBCur->OSTCBStkPtr
movem.1 (%a7),%d0-%d7/%a0-%a6 //恢復CPU寄存器，切換到新任務
lea 60(%a7),%a7
rte
篇幅所限，其它三個函數就不述了。
3 μC/OS-II任務堆棧初始化
μC/OS-II中每個任務都有自己的任務堆棧，在任務創建初期由OSTaskStkInit（）初始化。初始化堆棧的目的就是模擬一次中斷。任務堆棧中保存了任務代碼的起始地址和一些CPU寄存器（初值是無關緊要的），這樣一旦條件滿足，就可以執行該任務了。MCF5272在中斷發生時，會自動保存程序指針PC、狀態寄存器SR以及其它一些信息，為四字幀結構。除此以外，%d0-%d7、%a0-%a6也必須按一定順序入棧。OSTaskStkInit()在完成堆棧初始化后，還要返回棧頂指針以用于該任務控制塊TCB結構的初始化。該程序使用C語言編寫。
4 μC/OS-II系統時鐘
MCF5272處理器內置了4個定時器，使用TIMER0產生周期10ms的定時中斷作為系統時鐘。當PIVR寄存器設置為0x40時，TIMER0為69號中斷，在矢量表的相應位置需填入時鐘服務程序OSTickISR()的入口地址，并初始化時鐘：
volatile unsigned SHORT*pTimer;
pTimer=(unsigned short*)(0x10000000+0x200); //指向TIMER0
/*復位時鐘*/
*pTimer &=0xFFF9; //定時器處于STOP狀態
*pTimer=(*pTimer & 0x00FF)|0xFA00;//預分頻=250
*pTimer |=0x0018; //計數滿自動清零，中斷方式
pTimer[2]=165; //Set TRR=165
*pTimer=(*pTimer & 0xFFF9) |0x0004; //CLK=Master/16,啟動
上述程序段時鐘節拍的周期為：（1/66MHz）×250×164×16=0.01秒。實時性要求高的場合可以使用更為精細的時鐘。TIMER0一旦完成初始化，就開始工作，但是要讓中斷發生，還必須設置ICR寄存器相應字段給該中斷分配IPL（Interrupt Priority Level，中斷優先級），并保證該中斷沒有初狀態寄存器SR屏蔽。
該時鐘初始化代碼可以放在第一個μC/OS-II任務中，在OSStart（）后執行。一旦內核可以進行正常的任務切換，移植工作也就基本完成了。
5 內核編譯與下載
所有的C和匯編源文件經過編譯、鏈接，最終形成一個二進制映像文件。由于μC/OS-II使用了自定義的數據類型，因此必須將其轉變成為GCC（GNU C Compiler）能識別的類型，如INT8U可以定義為unsigned CHAR。另外，還必須編寫一個LD（鏈接腳本）文件控制編譯，將程序定位到實際的ROM和RAM資源中。為了調試方便，通常是通過BDM工具將內核下載到目標板SDRAM中運行，調試通過后再固化到FLASH中。
RTOS是當前嵌入式應用的特點。應用RTOS，可以使產品更可靠、功能更強大而開發周期更短。μC/OS-II有著良好的實時性和很小的代碼量，并被廣泛移植到x86、68K、ColdFire、MPC 8xx、ARM、MIPS、C5409等許多處理器上。數百個成功的商業應用實例說明μC/OS-II是一個穩定可靠的內核，因此將μC/OS-II移植到MCF5272具有很強的實用前景。