uCOS-II移植到LPC17XX方法

ID:90762 · 發(fā)表于 2018-10-16 00:30

1. 知識(shí)準(zhǔn)備

要想對(duì)ucos-ii的移植有較深的理解，需要兩方面知識(shí)：

（1）目標(biāo)芯片，這里是lpc17xx系列芯片，它們都是基于ARMv7 Cortex-M3內(nèi)核，所以這一類芯片的ucos-ii移植幾乎都是一樣的，要想了解Cortex-M3內(nèi)核，推薦《ARM Cortex-M3權(quán)威指南》（宋巖譯）；

（2）ucos-ii內(nèi)核原理，推薦《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II（第2版）》（邵貝貝譯）。

2. 下載文件

ucos-ii移植過(guò)程主要涉及三個(gè)文件：os_cpu.h, os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c

實(shí)際上，一般情況下，我們想要移植的目標(biāo)芯片前輩們都已經(jīng)移植成功過(guò)了，我們需要做的就是下載就可以了。

需要下載兩類文件：

（1）lpc17xx芯片啟動(dòng)/初始化代碼：LPC17xx.h, system_LPC17xx.h, core_cm3.h, core_cm3.c, startup_LPC17xx.s和system_LPC17xx.c，這幾個(gè)文件都可以從lpc官方網(wǎng)站lpc17xx系列芯片的任何一個(gè)項(xiàng)目中找到；

（2）ucos-ii移植代碼：可以在Micrium官方網(wǎng)站中找到uCOS-II在LPC17xx上的移植代碼（IAR平臺(tái)）。

3. 創(chuàng)建工程

（1）創(chuàng)建文件夾UCOS_II_V289，在該目錄下創(chuàng)建子目錄APP, lpc17xx, Output, uC-CPU, UCOS-II，在Output下創(chuàng)建obj和list子目錄，然后將第2步下載的文件添加進(jìn)相應(yīng)的文件夾中，文件拓?fù)鋱D如下：

UCOS_II_V289
├─APP
│    hello.c
│
├─lpc17xx
│    core_cm3.c
│    core_cm3.h
│    LPC17xx.h
│    startup_LPC17xx.s
│    system_LPC17xx.c
│    system_LPC17xx.h
│    type.h
│
├─Output
│  ├─list
│  └─obj
├─uC-CPU
│    os_cpu.h
│    os_cpu_a.asm
│    os_cpu_c.c
│    os_dbg.c
│
└─uCOS-II
      app_cfg.h
      os_cfg.h
      os_core.c
      os_flag.c
      os_mbox.c
      os_mem.c
      os_mutex.c
      os_q.c
      os_sem.c
      os_task.c
      os_time.c
      os_tmr.c
      ucos_ii.h

其中，hello.c中的文件代碼如下：

#include <LPC17xx.h>

#include <ucos_ii.h>

#define TASK_STK_SIZE 512

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];

void TaskStart(void *data);

int main(void)

{

OSInit();

OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0);

OSStart();

return 0;

}

void TaskStart(void *data)

{

data=data;

OS_CPU_SysTickInit(SystemFrequency/100);

for(;;)

{

OSCtxSwCtr = 0;

OSTimeDlyHMSM(0,0,0,10);

}

（2）Keil uVision4創(chuàng)建新工程，選擇UCOS_II_V289作為工程目錄，選擇芯片型號(hào)，需要注意的是當(dāng)提示“Copy NXP LPC17xx Startup Code to Project Folder and Add File to Project?”時(shí)，選擇“否”，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有這個(gè)文件了。創(chuàng)建組，添加相應(yīng)文件到組，如下所示：

右擊“UCOS_II_V289”，更改工程設(shè)置：

如果勾選“Run to main()”，那么在仿真的時(shí)候，就會(huì)跳過(guò)啟動(dòng)代碼，直接到main函數(shù)。

4. 編譯

編譯，會(huì)報(bào)很多錯(cuò)誤，下面一個(gè)一個(gè)改：

（1）將os_cpu_a.asm中的“public”改為“EXPORT”；

（2）將os_cpu_a.asm中的

RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)

THUMB

改為

AREA OSKernelschedular,code,READONLY

THUMB

（3）將os_cfg.h中“OS_APP_HOOKS_EN”、“OS_DEBUG_EN”和“OS_TASK_STAT_EN”設(shè)置為0；

（4）將startup_LPC17xx.s中的所有的“PendSVHandler”改為“OS_CPU_PendSVHandler”，所有的“SysTickHandler”改為“OS_CPU_SysTickHandler”。

編譯通過(guò)。

5. 軟件仿真調(diào)試

在步驟4中已經(jīng)設(shè)置為軟件仿真調(diào)試，編譯成功后，即可添加斷點(diǎn)進(jìn)行軟件仿真調(diào)試，查看代碼運(yùn)行是否符合預(yù)期。至此，移植結(jié)束。

6. 相關(guān)說(shuō)明

（1）啟動(dòng)文件與啟動(dòng)流程

i）啟動(dòng)文件

啟動(dòng)文件為以下幾個(gè)文件core_cm3.c, core_cm3.h, LPC17xx.h, startup_LPC17xx.s, system_LPC17xx.c 和 system_LPC17xx.h，下面分別說(shuō)明它們的功能。

startup_LPC17xx.s：該文件是Cortex-M3的啟動(dòng)匯編代碼，閱讀源代碼不難發(fā)現(xiàn)，它的作用是：堆和棧的初始化以及向量表的定義。Cortex-M3的向量表其實(shí)就是一個(gè)32位整數(shù)數(shù)組，每個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)一個(gè)向量，該下標(biāo)元素的值則是該中斷服務(wù)子程序的入口地址。向量表在地址空間中的位置是可以設(shè)置的，通過(guò)NVIC（向量中斷控制器）中的一個(gè)重定位七寸器來(lái)指出向量表的地址。復(fù)位后，該寄存器的值為0，因此，在地址0處必須包含一張向量表，用于初始時(shí)的中斷分配。

中斷類型	表項(xiàng)地址偏移量	中斷向量
0	0x00	MSP的初始值
1	0x04	復(fù)位
2	0x08	NMI
…	…	…

其中，向量表中的第一個(gè)元素并非中斷向量，而是MSP（主堆棧寄存器）的初始值。

LPC17xx.h：該文件是CM3（Cortex-M3，下同）內(nèi)核芯片的頭文件，它定義了芯片寄存器的結(jié)構(gòu)體。

core_cm3.h和core_cm3.c：這兩個(gè)文件分別是CM3內(nèi)核芯片的外圍驅(qū)動(dòng)頭文件和源代碼。

system_LPC17xx.h和system_LPC17xx.c：這兩個(gè)文件為我們提供了一個(gè)系統(tǒng)初始化函數(shù)SystemInit()，CM3的初始化包括時(shí)鐘配置、電源管理、功耗管理等。其中時(shí)鐘配置比較復(fù)雜，因?yàn)樗▋蓚€(gè)PLL倍頻電路，一個(gè)是主PLL0，主要為系統(tǒng)和USB提供時(shí)鐘，另一個(gè)是PLL1，專門(mén)為USB提供48M時(shí)鐘。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)使用12M外部晶振，通過(guò)PLL0倍頻到一個(gè)較高的頻率，之后可以通過(guò)分頻為CPU、外設(shè)以及可選的USB子系統(tǒng)提供精確的時(shí)鐘。

ii）啟動(dòng)流程

由Cortex-M3的啟動(dòng)步驟可知，系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行復(fù)位的5個(gè)步驟：
①NVIC復(fù)位，控制內(nèi)核；
②NVIC從復(fù)位中釋放內(nèi)核；
③內(nèi)核配置堆棧；
④從地址0x00000000處取出MSP的初始值，從地址0x00000004處取出PC的初始值——這個(gè)值是復(fù)位向量；
⑤運(yùn)行復(fù)位中斷服務(wù)子程序；

其中，復(fù)位中斷服務(wù)子程序的代碼如下：

Reset_Handler PROC

EXPORT Reset_Handler [WEAK]

IMPORT SystemInit

IMPORT __main

LDR R0, =SystemInit

BLX R0

LDR R0, =__main

BX R0

ENDP

可知，通過(guò)復(fù)位中斷服務(wù)子程序，首先引導(dǎo)程序進(jìn)入SystemInit()函數(shù)，然后進(jìn)入__main（此__main是C_Library中的函數(shù)，非main()）。

（2）SysTick定時(shí)器、SysTickInit與SysTickHandler

i)SysTick定時(shí)器

Cortex-M3內(nèi)核內(nèi)部包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)器——SysTick定時(shí)器。SysTick定時(shí)器被捆綁在NVIC中，用于產(chǎn)生SysTick中斷。一般情況下，操作系統(tǒng)以及所有使用了時(shí)基的系統(tǒng)，都必須由硬件定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生需要的“滴答”中斷，作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基。SysTick定時(shí)器就是用來(lái)產(chǎn)生周期性的中斷，以維持操作系統(tǒng)“心跳”節(jié)律的。SysTick定時(shí)器的時(shí)鐘源可以是內(nèi)部時(shí)鐘（FCLK，CM3上的自由運(yùn)行時(shí)鐘），或者是外部時(shí)鐘（CM3上的STCLK信號(hào)）。

SysTick定時(shí)器能產(chǎn)生中斷，CM3為它專門(mén)開(kāi)出一個(gè)中斷類型，并且在向量表中有它的一席之地——SysTickHandler，它使得操作系統(tǒng)和其它軟件系統(tǒng)在CM3內(nèi)核的移植變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谒械腃M3微處理器上，SysTick的處理方式都是相同的。

有4個(gè)寄存器控制SysTick定時(shí)器，下面只介紹其中經(jīng)常用到的三個(gè)：

①SysTick控制及狀態(tài)寄存器（地址：0xE000E010）

位段	名稱	類型	復(fù)位值	描述
16	COUNTFLAG	R	0	如果在上次讀取本寄存器后，SysTick已經(jīng)計(jì)到了0，則該位為1；如果讀取該位，該位自動(dòng)清0
2	CLKSOURCE	R/W	0	0=外部時(shí)鐘源（STCLK） 1=內(nèi)核時(shí)鐘源（FCLK）
1	TICKINT	R/W	0	1=SysTick倒數(shù)計(jì)數(shù)到0時(shí)產(chǎn)生SysTick異常請(qǐng)求 0=倒數(shù)到0時(shí)無(wú)動(dòng)作
0	ENABLE	R/W	0	SysTick定時(shí)器的使能位

②SysTick重裝載數(shù)值寄存器（地址：0xE000E014）

位段	名稱	類型	復(fù)位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	當(dāng)?shù)箶?shù)計(jì)數(shù)到0時(shí)，將被重裝載的值

③SysTick當(dāng)前數(shù)值寄存器（地址：0xE000E018）

位段	名稱	類型	復(fù)位值	描述
23:0	CURRENT	R/Wc	0	讀取時(shí)返回當(dāng)前倒數(shù)計(jì)數(shù)的值，寫(xiě)它則使之清零，同時(shí)還會(huì)清除在SysTick控制及狀態(tài)寄存器中的COUNTFLAG標(biāo)志

ii） SysTickInit()函數(shù)

該函數(shù)用于初始化SysTick定時(shí)器，在本移植實(shí)例中，它位于os_cpu_c.c文件中，其函數(shù)名被更改為“OS_CPU_SysTickInit”，源代碼如下：

void OS_CPU_SysTickInit (INT32U cnts)

{

OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD = cnts - 1u;

/* 設(shè)置SysTickHandler中斷優(yōu)先級(jí)為最低優(yōu)先級(jí) */

OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST = OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MIN;

/* 使能定時(shí)器 */

OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC | OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLE;

/* 使能SysTickHandler中斷 */

OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTEN;

}

第一行用于裝載SysTick重裝載數(shù)值寄存器，其他幾行都有注釋，在此不再解釋。

iii)SysTickHandler

當(dāng)SysTick定時(shí)器倒數(shù)計(jì)數(shù)到0時(shí)，將產(chǎn)生SysTick中斷，該中斷位于向量表15號(hào)位置（中斷向量號(hào)：15，下同）。在本移植實(shí)例中，該中斷服務(wù)子程序的名稱被更改為“OS_CPU_SysTickHandler”，其位于os_cpu_c.c文件中，源碼如下：

void OS_CPU_SysTickHandler (void)

{

OS_CPU_SR cpu_sr;

OS_ENTER_CRITICAL(); /* Tell uC/OS-II that we are starting an ISR */

OSIntNesting++;

OS_EXIT_CRITICAL();

OSTimeTick(); /* Call uC/OS-II's OSTimeTick() */

OSIntExit(); /* Tell uC/OS-II that we are leaving the ISR */

}

(3) OSCtxSw與PendSVHandler

i）PendSV中斷

Cortex-M3內(nèi)核內(nèi)置了一個(gè)重要的中斷——PendSV中斷（可掛起的系統(tǒng)調(diào)用）。與SVC中斷（系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)調(diào)用）不同的是，PendSV可以像普通的中斷一樣被掛起，OS可以利用它“緩期執(zhí)行”一個(gè)中斷——直到其他重要的任務(wù)完成后才執(zhí)行動(dòng)作。掛起PendSV的方法是：手動(dòng)往NVIC的PendSV掛起寄存器中寫(xiě)1，掛起后，如果該中斷優(yōu)先級(jí)不夠高，則將緩期等待執(zhí)行。

PendSV的典型功能是上下文（任務(wù)）切換。若在即將做上下文（任務(wù)）切換時(shí)發(fā)現(xiàn)CPU正在響應(yīng)一個(gè)中斷，這時(shí)，OS是不能執(zhí)行上下文（任務(wù)）切換的，否則將使中斷請(qǐng)求被延遲，而這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是絕不能容忍的。PendSV可以完美地解決這個(gè)問(wèn)題，PendSV中斷會(huì)自動(dòng)延遲上下文（任務(wù)）切換的請(qǐng)求，直到其他的中斷請(qǐng)求都完成后才響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制，需要把PendSV的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最低，當(dāng)OS需要做上下文（任務(wù)）切換時(shí)掛起一個(gè)PendSV中斷即可。

PendSV中斷位于向量表14號(hào)位置，在本移植實(shí)例中，該中斷服務(wù)子程序的名稱被更改為“OS_CPU_PendSVHandler”，其位于os_cpu_a.asm文件中，源碼如下：

OS_CPU_PendSVHandler

CPSID I ; Prevent interruption during context switch

MRS R0, PSP ; PSP is process stack pointer

CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; Skip register save the first time

SUBS R0, R0, #0x20 ; Save remaining regs r4-11 on process stack

STM R0, {R4-R11}

LDR R1, =OSTCBCur ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;

LDR R1, [R1]

STR R0, [R1] ; R0 is SP of process being switched out

; At this point, entire context of process has been saved

OS_CPU_PendSVHandler_nosave

PUSH {R14} ;

Save LR exc_return value

LDR R0, =OSTaskSwHook；

OSTaskSwHook();

BLX R0

POP {R14}

LDR R0, =OSPrioCur;

OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

LDR R1, =OSPrioHighRdy

LDRB R2, [R1]

STRB R2, [R0]

LDR R0, =OSTCBCur ;

OSTCBCur = OSTCBHighRdy;

LDR R1, =OSTCBHighRdy

LDR R2, [R1]

STR R2, [R0]

SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;

LDR R0, [R2] ; R0 is new process SP;

LDM R0, {R4-R11} ; Restore r4-11 from new process stack

ADDS R0, R0, #0x20

MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SP

ORR LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack

CPSIE I

BX LR ; Exception return will restore remaining context

END

ii）OSCtxSw

ucos-ii中，OSCtxSw的功能是上下文（任務(wù)）切換。而由上面的介紹可知，真正的切換工作是在PendSV中斷中完成的，那么可想而知，OSCtxSw只需觸發(fā)一個(gè)PendSV中斷即可完成上下文（任務(wù)）切換的工作。OSCtxSw位于os_cpu_a.asm文件中，源碼如下：

OSCtxSw

LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)

LDR R1, =NVIC_PENDSVSET

STR R1, [R0]

BX LR

7. 工程源碼

工程源碼鏈接：

UCOS_II_V289.rar (606.79 KB, 下載次數(shù): 24)