傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多采用單任務(wù)順序機(jī)制，應(yīng)用程序是一個(gè)無限的大循環(huán)，所有的事件都按順序執(zhí)行，與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來保證，由此帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性較差；尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，且對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制的弱點(diǎn)暴露無遺。本文引入的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，主要提供任務(wù)管理功能。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的多個(gè)任務(wù)，必須決定這些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序，任務(wù)調(diào)度算法需要?jiǎng)討B(tài)為就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)排序。為了滿足對實(shí)時(shí)性要求越來越高的需要，同時(shí)避免頻繁改變就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，在分析μC/OS-II源代碼的基礎(chǔ)上，對其調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)。

　　LPC2114是Philips公司開發(fā)的一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU,并嵌入了128KB的高速Flash存儲(chǔ)器。其內(nèi)部集成了與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線（VPB,ARM AMBA總線的兼容超集）。LPC2114將ARM7TDMI-S配置為小端（little-endian）字節(jié)順序。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。

　　將μC/OS-II移植在LPC2119上不僅有益于ARM和μC/OS-II在車用控制器上的應(yīng)用，其成果還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 ARM Developer Suite v1.2編譯調(diào)試環(huán)境。

　　1  μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　μC/OS-II是一個(gè)完整的，可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核；支持56個(gè)用戶任務(wù)，支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等常用的進(jìn)程間通信機(jī)制；適用于各種微控制器和微處理器；所有代碼用ANSI C語言編寫，程序的可讀性強(qiáng)，具有良好的可移植性，已被移植到多種處理器架構(gòu)中，在某些實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　圖1為μC/OS-II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序處于整個(gè)系統(tǒng)的頂層，每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU,因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無限循環(huán)。μC/OS-II處理器無關(guān)的代碼提供了μC/OS-II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

　　大部分μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言編寫的，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(guān)的代碼。μC/OS-II的移植需要滿足下列要求：（1）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼。（2）可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出Critical Code（臨界區(qū)代碼）。（3）處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個(gè)定時(shí)中斷源。（4）處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧。（5）處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

　　移植μC/OS-II的主要工作涉及處理器及編譯器相關(guān)代碼以及BSP的編寫。

　　2  μC/OS-II BSP的編寫

　　BSP是板級(jí)支持包，是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一層，應(yīng)該說是屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好的運(yùn)行于硬件主板。BSP是相對于操作系統(tǒng)而言的，不同的操作系統(tǒng)對應(yīng)于不同定義形式的BSP,例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相對于某一CPU來說盡管實(shí)現(xiàn)的功能一樣，可是寫法和接口定義是完全不同的，所以寫B(tài)SP一定要按照該系統(tǒng)BSP的定義形式來寫（BSP的編程過程大多數(shù)是在某一個(gè)成型的BSP模板上進(jìn)行修改）。這樣才能與上層OS保持正確的接口，良好的支持上層OS.

　　為μC/OS-II編寫一個(gè)簡單的BSP的方法是：首先設(shè)置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運(yùn)行和調(diào)用環(huán)境；然后使用C語言設(shè)置LPC2114向量中斷控制器、GPIO以及SRAM控制器，初始化串口（UART0）作為默認(rèn)打印口，并向操作系統(tǒng)提供一些硬件相關(guān)例程和函數(shù)（如dprintf（ ）），以方便調(diào)試；在CPU、板級(jí)和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。

　　LPC2114處理器支持七種類型的異常。異常出現(xiàn)后，CPU強(qiáng)制從異常類型對應(yīng)的固定存儲(chǔ)地址開始執(zhí)行程序，因此需要在程序頭建立起異常向量表，例如：

　　向量從上到下依次為復(fù)位、未定義指令異常、軟件中斷、預(yù)取指令中止、預(yù)取數(shù)據(jù)中止、保留的異常、IRQ和FIQ.保留的異常向量位置所填的數(shù)據(jù)0xb9205f80是為了使向量表中所有的數(shù)據(jù)32位累加和為0.這個(gè)向量在ARM文件中標(biāo)識(shí)為保留，該位置被Boot裝載程序用作有效的用戶程序關(guān)鍵字。當(dāng)向量表中所有的數(shù)據(jù)累加為0（且外部硬件禁止進(jìn)入ISP程序）時(shí)，Boot裝載程序?qū)?zhí)行用戶程序。

　　從異常向量表可知：芯片復(fù)位時(shí)程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號(hào)Reset處。程序首先調(diào)用InitStack初始化各種模式的堆棧，然后調(diào)用TargetResetInit對系統(tǒng)進(jìn)行基本的初始化，跳轉(zhuǎn)到ADS提供的啟動(dòng)代碼__main.例如：

　　Reset

　　BL InitStack

　　BL TargetResetInit

　　B__main

　　同時(shí)在每個(gè)硬件時(shí)鐘到來后，μC/OS-II會(huì)在中斷服務(wù)例程中調(diào)用OSIntCtxSw（ ）進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。另外，當(dāng)某個(gè)任務(wù)因等待資源而被掛起時(shí)，它可以自己主動(dòng)放棄CPU,而沒有必要等到自己的時(shí)間片全都用完。這可以通過調(diào)用一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSCtxSw（ ）來實(shí)現(xiàn)，其中相對復(fù)雜的是OSIntCtxSw（ ）。由于OSLickISR（ ）調(diào)用了 OSIntExit（ ），OSIntExit（ ）又再次調(diào)用了OSIntCtxSw（ ），如果進(jìn)行任務(wù)切換，則二次調(diào)用都不會(huì)返回，而不同的C編譯器、不同的編譯選項(xiàng)處理C調(diào)用時(shí)對堆棧的使用也不盡相同。因此OSIntCtxSw（ ）是與編譯器相關(guān)的。在ADS編譯環(huán)境下，OSIntCtxSw的軟件流程如圖2所示。

　　3  μC/OS-II 任務(wù)堆棧初始化

　　μC/OS-II中每個(gè)任務(wù)都有自己的任務(wù)堆棧。在任務(wù)創(chuàng)建初期由OSTaskStkInit（ ）初始化。初始化堆棧的目的就是模擬中斷。任務(wù)堆棧中保存了任務(wù)代碼的起始地址和一些CPU寄存器（初值是無關(guān)緊要的），這樣一旦條件滿足，就可以執(zhí)行任務(wù)了。LPC2114在中斷發(fā)生時(shí)，會(huì)自動(dòng)保存程序指針PC、狀態(tài)寄存器SR以及其他一些信息。圖3為針對LPC2114編程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的堆棧結(jié)構(gòu)。

　　本次移植的函數(shù)OSTaskStkInt（ ）代碼為：

　　4  μC/OS-II系統(tǒng)時(shí)鐘管理

　　μC/OS-II需要在系統(tǒng)初始化時(shí)開始一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，它是OS系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。該時(shí)鐘節(jié)拍一般由時(shí)間中斷產(chǎn)生。LPC2114中可產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍的模塊很多，本次移植采用定時(shí)器0異常。因?yàn)樗c外部中斷使用不同的異常向量，便于對異常事件的管理，有利于提高OS的穩(wěn)定性。32位定時(shí)器TC的計(jì)數(shù)頻率由plck經(jīng)過PR分頻控制得到，而定時(shí)器的啟動(dòng)/停止、計(jì)數(shù)復(fù)位由TCR控制。當(dāng)有捕獲事件或比較匹配事件發(fā)生時(shí)，IR會(huì)設(shè)置相關(guān)的中斷標(biāo)志，若已打開中斷允許，則會(huì)產(chǎn)生中斷。

　　本次移植設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592MHz,代碼在時(shí)鐘初始化和每次進(jìn)入定時(shí)器0異常時(shí)，將定時(shí)器0的計(jì)數(shù)器PWMTC設(shè)置為11.0592M/OS_TICKS_PER_SEC,這樣可使OS每秒鐘產(chǎn)生OS_TICKS_PER_SEC的時(shí)鐘節(jié)拍。

　　5  應(yīng)用方法

　　在使用移植后的OS時(shí)，用戶需要編寫自己的主程序main（ ），其流程圖如圖4.在適當(dāng)?shù)某跏蓟蠹纯蓡?dòng)OS.

　　另外，用戶需在TaskStart任務(wù)中啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍，調(diào)用OS_StartInit（ ）函數(shù)初始化統(tǒng)計(jì)任務(wù)，創(chuàng)建所需的其他任務(wù)，調(diào)用OSTaskDel（ ）函數(shù)刪除TaskStart任務(wù)。OS在該函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，會(huì)自動(dòng)允許異常和中斷，OS正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷調(diào)度任務(wù)，響應(yīng)中斷。