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嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)Nucleus PLUS在S3C2410A上移植的實(shí)現(xiàn)

摘要：本文在簡要介紹嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核Nucleus PLUS和基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微控制器S3C2410A后，詳細(xì)地論述了Nucleus PLUS在S3C2410A上的移植過程和方法，最后指出了Nucleus PLUS 在ARM9上移植的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)；Nucleus PLUS；移植；S3C2410A
引言
Nucleus PLUS是美國ATI 公司為實(shí)時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。約95%的Nucleus PLUS代碼用ANSI C語言編寫，因此，非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的微處理器，如X86、68K、PowerPC、MIPS、ARM等。經(jīng)過截減編譯后，Nucleus PLUS 核心代碼區(qū)一般不超過20KB大小。同時提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、圖形界面Grafix、文件系統(tǒng)File等模塊。還有一個特點(diǎn)就是免費(fèi)提供源代碼，有利于節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。
S3C2410A是三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核高性能低功耗16/32位RISC微控制器，內(nèi)部集成了豐富的系統(tǒng)外圍控制器。配合Nucleus PLUS操作系統(tǒng)可方便地開發(fā)出適于手持設(shè)備和各種低功耗產(chǎn)品的應(yīng)用程序，加快新產(chǎn)品的上市時間。
Nucleus PLUS啟動過程
嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核Nucleus PLUS的啟動過程如圖1所示。其中板級初始化(INT_Initialize)主要是完成中斷向量表、系統(tǒng)堆棧、時鐘中斷等基本硬件初始化；操作系
統(tǒng)初始化(INC_Initialize)主要是完成郵箱、隊(duì)列、管道、信號量、事件集等軟件組件初始化；應(yīng)用程序初始化(Application_Initialize (first_available_memory))主要是完成用戶定義的應(yīng)用程序初始化，如創(chuàng)建內(nèi)存池，創(chuàng)建任務(wù)、創(chuàng)建信號量、創(chuàng)建中斷、編寫用戶應(yīng)用程序等。移植的過程中，需要修改的是板級初始化(INT_Initialize)這部分內(nèi)容，它是由ARM匯編語言編寫的，下面詳細(xì)敘述。
     圖1 Nucleus PLUS 啟動過程
Nucleus PLUS移植過程
INT-Reset子程序修改
INT_Reset是Nucleus PLUS啟動時的程序入口，因?yàn)楦鶕?jù)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)硬件上電或復(fù)位后，ARM所執(zhí)行的第一條指令在地址0x00000000，即ARM的復(fù)位異常(Reset)向量地址，所以在這個地址要放置一個跳轉(zhuǎn)指令：B INT_Reset 。
在INT_Reset這個子程序中放置的是硬件初始化程序，完成兩個功能：
1. 改變ARM工作模式為管理模式(Supervisor Mode)，管理模式是ARM提供給操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式；
2. 屏蔽FIQ和IRQ中斷，因?yàn)樵谡麄€系統(tǒng)初始化的過程中，不能被中斷打斷，只有在中斷服務(wù)子程序初始化結(jié)束后，才可以打開中斷，進(jìn)而響應(yīng)中斷。
INT_Reset
　MRS    R1,CPSR
　BIC     R1,R1,#MODE_MASK
　ORR    R1,R1,#SUP_MODE
　ORR    R1,R1,#LOCKOUT
　MSR    CPSR_cxsf,R1
建立異常向量表和中斷向量表
根據(jù)ARM的體系結(jié)構(gòu)，ARM有7種類型的異常(Exception)，每種異常都有各自入口地址，即異常向量表(Exception Vectors)。異常向量表放置在從0X00000000地址開始，連續(xù)32字節(jié)的空間內(nèi)。S3C2410A共有56個中斷源，但有些中斷源共用一個中斷向量，所以只要求創(chuàng)建包含32個中斷源的中斷向量表。
INT_Vectors
LDR PC, INT_Reset_Addr
LDR     PC, INT_Undef_Addr
LDR     PC, INT_Software_Addr
LDR     PC, INT_Prefetch_Addr
LDR     PC, INT_Data_Addr
LDR     PC, INT_Reserved_Addr
LDR     PC, INT_IRQ_Addr
LDR     PC, INT_FIQ_Addr
配置存儲器控制器和MMU
MMU(Memory Manage Unit)是存儲器管理單元的縮寫，用來實(shí)現(xiàn)虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。它是ARM的一部分，本身有少量存儲空間放置從虛擬地址到物理地址的匹配表，即轉(zhuǎn)換旁置緩沖區(qū) (TLBs－Translation Lookaside Buffers)。MMU實(shí)現(xiàn)兩個主要功能，將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址和控制存儲器的存取使能。
通過配置S3C2410A的存儲器控制器來初始化S3C2410A目標(biāo)板的外圍存儲器。主要是設(shè)置存儲器類型、總線寬度、信息，重點(diǎn)是對SDRAM進(jìn)行設(shè)置，如列地址數(shù)、信號線時序等。
堆棧初始化
   C和ARM匯編源文件經(jīng)過ARM開發(fā)環(huán)境ADS1.2編譯鏈接后，生成的映像(Image)文件包含RO(只讀代碼、數(shù)據(jù)段)、RW(可讀寫數(shù)據(jù)段)和ZI(將要初始化為0的段)三個輸出段。當(dāng)映像文件加載到flash中的時，RO段和RW段在Flash中的位置見圖2(a)，其中|Image$$RO$$Base|是RO段的開始地址，也是包含RO輸出段的加載和執(zhí)行地址，可以在ARM Linker中設(shè)置，即-ro-base的值，從flash啟動時，這個值設(shè)置為0x00000000，ZI段不需要加載到flash中。當(dāng)硬件電路復(fù)位后，映像文件中的RW段需要從Flash中拷貝到SDRAM內(nèi)，同時要將ZI輸出段的內(nèi)容需要用“0”進(jìn)行初始化，此時輸出段在存儲區(qū)內(nèi)的位置見圖2(b)。|Image$$RW$$Base|是包含RW輸出段的執(zhí)行地址，這個地址值也需要在ARM Linker中設(shè)置，即-rw-base的值，一般將-rw-base的值設(shè)置到SDRAM的地址范圍內(nèi)，在這里設(shè)置為SDRAM的首地址0x30000000。在Nucleus PLUS移植的過程中要編寫代碼，完成以上操作過程。
圖2 加載和執(zhí)行時存儲區(qū)分布
   ARM有7種運(yùn)行模式分別為：用戶模式(usr)、快速中斷模式(fiq)、外部中斷模式(irq)、管理模式(svc)、數(shù)據(jù)訪問中止模式(abt)、系統(tǒng)模式(sys)和未定義指令中止模式(und)。在堆棧初始化時，應(yīng)對S3C2410A的每種運(yùn)行模式分別設(shè)置堆棧，一般堆棧的大小可以設(shè)置為4KB。另外還要對HISR(High-Level Interrupt Service Routines)堆棧的起始地址、大小和優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置，它的堆棧大小可設(shè)為2KB。
中斷初始化
1. 將Nucleus PLUS異常中斷向量表從ROM中復(fù)制到RAM中，即：將地址為0x00000000的異常中斷向量表復(fù)制到地址0x33FFFF00處，這樣在中斷響應(yīng)的過程中就可以從RAM中提取異常中斷向量表，提高中斷的響應(yīng)速度；
2. 關(guān)閉看門狗時鐘，創(chuàng)建所有IRQ中斷的中斷向量表；
3. 清除所有中斷的判斷位。　
系統(tǒng)時鐘中斷初始化
   因?yàn)門imer4是用來作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)時鐘的，所以在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)移植的過程中，一定要對它的時鐘中斷進(jìn)行配置，配置過程如下：
1. 設(shè)置S3C2410A的內(nèi)部定時器Fimert定時器的中斷周期為10ms；
2. 建立Timer4的中斷向量，用Timer4時鐘作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)節(jié)拍時鐘；
3. 初始化S3C2410A的MPLL控制寄存器MPLLCON，將S3C2410A的主時鐘FCLK設(shè)置為266MHz；
4.設(shè)置分頻器寄存器CLKDIVN使HCLK = FCLK/2，PCLK = HCLK/2。
設(shè)置系統(tǒng)可用存儲區(qū)的首地址
在板級初始化程序(INT_ Initialize)結(jié)束后，系統(tǒng)開始調(diào)用操作系統(tǒng)初始化程序(INC_Initialize)。這時需要設(shè)置可供用戶使用的存儲器首地址first_available_memory，令first_available_memory= |Image$$bss$$ZI$$Limit|，其中|Image$$bss$$ZI$$Limit|是ARM鏈接器生成的可執(zhí)行映像文件中初始化為0段(ZI段)的終止地址。修改后調(diào)用程序INC_Initialize(VOID *first_available_memory)，即進(jìn)入操作系統(tǒng)初始化。Nucleus PLUS的移植工作也宣告結(jié)束。
   結(jié)語
   本文詳細(xì)介紹了Nucleus PLUS在S3C2410A上的移植過程和方法，移植后的代碼在深圳優(yōu)龍科技有限公司的FS2410開發(fā)板上運(yùn)行正常，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信和中斷響應(yīng)。因?yàn)橐浦策^程是針對特定的硬件環(huán)境的，所以移植中要采用ARM匯編語言，這是嵌入式操作系統(tǒng)移植的難點(diǎn)。移植的重點(diǎn)是建立中斷向量表、創(chuàng)建操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘中斷和設(shè)置系統(tǒng)堆棧。本文論述的移植方法對其他嵌入式操作系統(tǒng)在ARM微處理器上的移植過程也有一定的借鑒價(jià)值

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