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實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC／OS-II在MPC555上的移植
摘要：介紹了實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-II的特點(diǎn)和內核結構，并首次實(shí)現了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應用方法。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務(wù)、移植性非常強的免費微控制器嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，從１９９２年出現以來(lái)，已在照相機、發(fā)動(dòng)機控制和工業(yè)機器人等多種領(lǐng)域中得到應用。它一方面相對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)域應用；另一方面由于是免費的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業(yè)實(shí)時(shí)ＥＯＳ大大節省成本，非常適用于開(kāi)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體系結構上，采用ＲＩＳＣ技術(shù)的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內嵌增加了浮點(diǎn)單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態(tài)ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內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）、兩個(gè)ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達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(chē)等現場(chǎng)控制領(lǐng)域的嵌入式微控制系統。
將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車(chē)用控制器上的應用，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)之間通信管理和內存管理五方面功能。其結構共分三層，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。該層完成系統時(shí)鐘的設置、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)調度管理、任務(wù)間的通信管理和內存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫(xiě)成，與處理器無(wú)關(guān)，它為用戶(hù)應用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶(hù)應用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務(wù)兩個(gè)處理級別，用戶(hù)可以建立自己的任務(wù)，編寫(xiě)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量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫(xiě)。根據以上結構特點(diǎn)，在移植過(guò)程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結構做相應改動(dòng)，使其完成系統時(shí)鐘設置、中斷管理和任務(wù)切換功能即可。
在前后臺系統中，提供一個(gè)ＣＰＵ堆棧。發(fā)生中斷時(shí)，將當前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現場(chǎng)，執行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復現場(chǎng)。
在多任務(wù)系統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。當發(fā)生中斷或任務(wù)切換時(shí)，把當前任務(wù)運行現場(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。當某個(gè)任務(wù)需要從就緒狀態(tài)激活到運行狀態(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。而對各任務(wù)來(lái)說(shuō)，每次進(jìn)入運行態(tài)時(shí)，ＣＰＵ狀態(tài)都與上次從運行態(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)將各自的運行現場(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，調用Ｃ函數時(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函數返回時(shí)，將其釋放。其大小因Ｃ函數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)數寄存器，３２個(gè)６４ｂｉｔ浮點(diǎn)數寄存器，另有９個(gè)控制／狀態(tài)寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結構，設計如表１的堆棧結構。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)，建立該堆棧結構，并用默認值對其進(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位置，或者從堆棧的相應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 堆棧結構表
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]
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