S3C2416裸机开发系列十五
GCC下uCOS的移植(1)
象棋小子 1048272975
操作系统是用来管理系统硬件、软件及数据资源，控制程序运行，并为其它应用软件提供支持的一种系统软件。根据不同的种类，又可分为实时操作系统、桌面操作系统、服务器操作系统等。对于一些小型的应用，对系统实时性要求高，硬件资源有限等的情况下，应尽量避免使用复杂庞大的操作系统(如Linux)，使用小型的实时操作系统(如uCOS)更能满足应用的需求。笔者此处就uCOS-II的移植作一个简单的介绍。
1. 代码准备
uCOS-II V2.91源码，这个版本的源码是uCOS-II的最新版本，请读者自行从Micrium官网或其它网站下载这个版本的源码，当然，其它版本的uCOS-II也是一样方式移植的。Micrium官网也给出了一些cpu的移植范例，可供参考，此处是下载源码，一步一步进行移植。
s3c2416启动代码工程，启动代码是s3c2416/50/51这系列arm9芯片在运行用户c代码main函数之前必须先运行的代码，启动代码支持sd、Nand启动，为用户设置系统时钟，初始化内存，自动识别启动设备并搬移代码到RAM，MMU映射，中断管理等，用户只需专注于用c开发其它功能函数即可。关于启动代码以及启动代码的实现过程，笔者前面章节有非常详细的介绍。此处以GCC下移植uCOS为讲解，下载”GCC启动代码工程应用实例”中的启动代码源码即可。如果在MDK下开发，下载”MDK启动代码工程应用实例”中的启动代码源码。
用户代码，用c开发的所有功能代码，其中，用户代码入口为main()函数，在这里实现uCOS多任何运行代码。
2. 工程搭建
在linux操作系统下任一路径下新建一个uCOS的工程目录，该目录下新建uCOS-II目录用来保存uCOS相关部分。下载uCOS-II V2.91源码并解压，把Source目录全部拷贝到uCOS-II目录下，同时在目录下新建一个Cfg目录用来保存uCOS的配置文件，新建一个Ports目录用来保存uCOS移植接口文件。
把启用代码目录start_code拷贝到UCGUI目录下，这部分代码无需任何的修改。并保留其中的Makefile这些文件。GCC启动代码下的工程管理Makefile提取自uboot，可以方便地增加源代码以及代码目录。
在UCGUI目录下新建apps目录，用来保存应用相关的源码。
最终的UCGUI目录内容如下：
uCOS/start_code，保存s3c2416启动代码相关的部分
uCOS/app，保存工个工程的应用部分
uCOS/uCOS-II/Cfg，保存uCOS的配置部分
uCOS/uCOS-II/Ports，保存uCOS移植部分
uCOS/uCOS-II/Source，保存uCOS的源码，通常可直接替换更高版本的源码
3. uCOS移植
uCOS-II应用在不同的cpu，需要在uCOS-II/Ports目录中实现os_cpu.h、os_cpu_a.s、os_cpu_c.c这三个文件的修改编写。
3.1. os_cpu.h的编写
3.1.1. 外部声明
uCOS-II用OS_CPU_GLOBALS和OS_CPU_EXT来声明外部的变量、符号，这部分如下：
#ifdef OS_CPU_GLOBALS
#define OS_CPU_EXT
#else
#define OS_CPU_EXT extern
#endif
3.1.2. 数据类型定义
为了确保uC/OS-II的可移植性，在os_cpu.h中声明了一系列的类型定义。这些类型不依赖于c数据类型如int、short、long等。数据类型定义如下：
typedef unsigned char BOOLEAN; /* 布尔变量*/
typedef unsigned char INT8U; /* 无符号8位整型变量*/
typedef signed char INT8S; /* 有符号8位整型变量*/
typedef unsigned short INT16U; /* 无符号16位整型变量*/
typedef signed short INT16S; /* 有符号16位整型变量*/
typedef unsigned int INT32U; /* 无符号32位整型变量*/
typedef signed int INT32S; /* 有符号32位整型变量*/
typedef float FP32; /* 单精度浮点数（32位长度）*/
typedef double FP64; /* 双精度浮点数（64位长度）*/
3.1.3. 栈配置
uCOS-II适用于8位、16位、32位的cpu，不同字长的cpu，其栈字长也是不一样的，uCOS-II用OS_STK表栈类型，同时栈的生长方式可以由高地址到低地址，也可由低地址到高地址。对于arm架构cpu，栈可以向下，也可以向上增长。但对于各个编译器是约定栈由高地址向低地址增长的，栈字长为32位。栈配置内容如下：
typedef INT32U OS_STK; /* 栈是32位宽度*/
#define OS_STK_GROWTH 1 /* 栈是从高往下生长*/
3.1.4. 临界区访问
对于可抢占式操作系统，有一小段关键代码必须独占访问，如果有一个任务(线程)正在访问临界代码，则其它任务(线程)不能再进入该段代码，直到占有访问权的任务(线程)退出这个临界区。uCOS-II在访问内核临界区时是通过OS_ENTER_CRITICAL()/OS_EXIT_CRITICAL()这两个宏开关中断来禁止任务抢占来确保临界区不被破坏。通常，临界区访问有三种方式，一是直接开关中断，二是从栈中保存/恢复中断状态再开关中断，三是从局部变量保存/恢复中断状态再开关中断。uCOS-II采用了第三种开关中断方式，需实现状态保存恢复开关中断CPU_SR_Save()/CPU_SR_Restore()，需引入一个OS_CPU_SR类型的变量保存cpu中断状态，临界区中断访问内容如下：
#define OS_CRITICAL_METHOD 3 /*局部变量保存/恢复状态再开关中断 */
typedef INT32U OS_CPU_SR; /*开关中断前用来保存/恢复中断状态*/
#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = CPU_SR_Save ();} /* 关中断 */
#define OS_EXIT_CRITICAL() {CPU_SR_Restore (cpu_sr);} /* 开中断*/
3.1.5. 函数声明
uCOS-II需汇编实现开关中断、任务切换这些与体系结构相关的功能，在汇编文件os_cpu_a.s中进行实现，头文件进行函数声明，声明有如下几个函数：
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() /* 任务级任务切换函数*/
OS_CPU_SR CPU_SR_Save(void);
void CPU_SR_Restore(OS_CPU_SR cpu_sr);
void OSStartHighRdy(void);
void OSCtxSw(void);
void OSIntCtxSw(void);
3.2. os_cpu_a.s的编写
高级语言不能实现保存/恢复寄存器，因此uCOS-II需要编写汇编实现六个简单的函数，CPU_SR_Save ()、CPU_SR_Restore()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、IRQ_SaveContext()。
3.2.1. CPU_SR_Save()函数
由于采用从局部变量保存/恢复中断状态再开关中断的方式，用R0返回中断状态，并关闭中断，该函数是OS_ENTER_CRITICAL()的宏实现。
.globl CPU_SR_Save
CPU_SR_Save:
MRS R0, CPSR
ORR R1, R0, #0xC0 // 设置IRQ,FIQ均禁止中断
MSR CPSR_c, R1
BX LR // 禁止中断,返回中断状态到R0中
3.2.2. CPU_SR_Restore()函数
临界区访问完后，需恢复关中断前的中断状态，该函数是OS_EXIT_CRITICAL()的宏实现。
.globl CPU_SR_Restore
CPU_SR_Restore:
MSR CPSR_c, R0
BX LR
3.2.3. OSStartHighRdy()函数
当用户通过OSStart()启动uCOS内核进行管理时，OSStart()会首先调用OSStartHighRdy()来运行已创建任务中优先级最高的任务，OSStartHighRdy()需完成以下工作：
(1) 禁止中断切换到管理模式，所有任务均工作在管理模式
(2) 调用任务切换钩子函数，即先调用OSTaskSwHook()函数
(3) 标记uCOS-II内核已启动运行，OSRunning = 1
(4) 获得最高优先级任务TCB，得到任务栈指针，SP切换到任务栈
(5) 出栈SP中的任务栈，包括任务状态寄存器CPSR，R0-R12，LR，继续执行任务。
#define I_Bit 0x80// IRQ中断禁止位
#define F_Bit 0x40// FIQ中断禁止位
#define Mode_SVC 0x13 // 管理模式
#define Mode_SYS 0x1f // 系统模式
.extern OSTaskSwHook
.extern OSRunning
.extern OSTCBHighRdy
.globl OSStartHighRdy
OSStartHighRdy:
MSR CPSR_c, #(I_Bit+F_Bit+Mode_SVC) // 禁止中断切换到管理模式
LDR R0, =OSTaskSwHook // 调用任务切换钩子函数
MOV LR, PC // 准备函数返回地址
BX R0 // 支持Thumb、ARM混编
LDR R0, =OSRunning //设置OSRunning为1
MOV R1, #1
STRB R1, [R0]
LDR R0, =OSTCBHighRdy // 获得最高优先级任务TCB
LDR R0, [R0] // 获得任务栈指针
LDR SP, [R0] // 切换到新任务栈
LDMFD SP!, {R0} // 出栈新任务的CPSR
MSR SPSR_cxsf, R0
LDMFD SP!, {R0-R12, LR, PC}^ // 出栈新任务的上下文
3.2.4. OSCtxSw()函数
uCOS-II通过OS_Sched()函数进行任务的调度，通过调用OS_TASK_SW()进行实质的任务切换，OSCtxSw()即为OS_TASK_SW()的宏实现，任务切换函数OSCtxSw()需完成以下的工作：
(1) 保存当前任务的上下文(R0-R12，LR，任务打断的PC地址，状态寄存器CPSR)到当前任务栈中
(2) 根据当前任务TCB(任务控制块)，获得当前任务栈指针，并把当前任务SP栈保存进栈指针
(3) 调用任务切换钩子函数，即先调用OSTaskSwHook()函数
(4) 把即将运行的最高优先级任务优先级更新到当前优先级变量中
(5) 把即将运行的最高优先级任务TCB(任务控制块)地址更新到当前TCB(任务控制块)地址变量中
(6) 获得最高优先级任务栈指针，SP切换到最高优先级任务栈，并出栈新任务的上下文，执行新任务。
#define Mode_THUMB 0x20 // THUMB模式
.extern OSTCBCur
.extern OSTCBHighRdy
.extern OSPrioCur
.extern OSPrioHighRdy
.globl OSCtxSw
.globl OSIntCtxSw
OSCtxSw:
STMFD SP!, {LR} // 压栈当前任务PC
STMFD SP!, {LR} // 压栈当前任务LR
STMFD SP!, {R0-R12} // 压栈当前任务R0-R12
MRS R0, CPSR // 获得当前任务CPSR
TST LR, #1 // 测试任务是否工作在Thumb模式
ORRNE R0, R0, #Mode_THUMB // 是Thumb则状态改成Thumb模式
STMFD SP!, {R0} // 压栈CPSR
LDR R0, =OSTCBCur // 获得当前任务TCB
LDR R1, [R0] // 由TCB获得当前任务栈指针
STR SP, [R1] // SP栈保存进当前任务栈指针
OSIntCtxSw:
LDR R0, =OSTaskSwHook // 调用任务切换钩子函数
MOV LR, PC // 准备函数返回地址
BX R0
LDR R0, =OSPrioCur // 获得当前任务优先级保存指针
LDR R1, =OSPrioHighRdy // 获得最高优先级任务优先级保存指针
LDRB R2, [R1] // 获得最高优先级任务优先级
STRB R2, [R0] // 保存进当前任务优先级指针变量中
LDR R0, =OSTCBCur // 获得当前任务TCB保存指针
LDR R1, =OSTCBHighRdy // 获得最高优先级任务TCB保存指针
LDR R2, [R1] // 最高优先级TCB地址保存进当前任务TCB指针
STR R2, [R0]
LDR SP, [R2] // SP切换到最高优先级任务栈
LDMFD SP!, {R0} // 出栈新任务的CPSR
MSR SPSR_cxsf, R0
LDMFD SP!, {R0-R12, LR, PC}^ // 出栈新任务的上下文
3.2.5. OSIntCtxSw()函数
OSIntCtxSw()用来实现中断级的任务切换，当所有的中断(可嵌套中断)执行完毕后，内核需切换到任务继续执行，因此中断级的任务切换与普通的任务切换是一致的，不同的是异常发生时已保存任务的上下文，中断级任务切换无需保存任务的上下文，比OSCtxSw()只少了步骤1和2，其它相同，因此OSIntCtxSw()可合并写在OSCtxSw()上，见OSCtxSw()上的OSIntCtxSw()函数标号。
(1) 调用任务切换钩子函数，即先调用OSTaskSwHook()函数
(2) 把即将运行的最高优先级任务优先级更新到当前优先级变量中
(3) 把即将运行的最高优先级任务TCB(任务控制块)地址更新到当前TCB(任务控制块)地址变量中
(4) 获得最高优先级任务栈指针，SP切换到最高优先级任务栈，并出栈新任务的上下文，执行新任务。
3.2.6. IRQ_SaveContext()函数
任何异常发生时，均会打断任务，进入异常应先保存当前任务的上下文到当前任务栈中，之后再执行异常处理。IRQ异常也不例外，因为uCOS-II需要一个定时器中断Tick，因此IRQ处理也是移植的一部分，IRQ_SaveContext()需完成以下工作：
(1) 临时性使用到一些寄存器，对用到的寄存器压栈到IRQ栈上
(2) 切换到管理模式，禁止中断，任务运行在管理模式，这步将切换SP到被中断打断的任务栈上
(3) 把被打断任务的上下文压入任务的栈。
(4) 跟踪中断嵌套计数,判断是任务被中断还是中断嵌套,中断嵌套不用更新任务栈
(5) 非中断嵌套，根据当前任务TCB(任务控制块)获得栈指针，并把打断任务SP栈保存进栈指针
(6) 调用OSIntEnter()函数进行中断嵌套加计数
(7) 切换到系统模式，并压栈LR，这步是为了使用系统模式栈来处理中断函数，减轻任务栈的使用。
(8) 调用IRQ_Handler()函数实质处理IRQ中断服务，在中断服务中可再打开IRQ中断，支持中断嵌套
(9) 中断服务执行完后，出栈LR，并切换到管理模式，禁止中断，此时SP将切换到被打断任务的任务栈上
(10) 调用OSIntExit()函数进行中断嵌套减计数，如果中断嵌套计数OSIntNesting为0，则说明所有中断退出，将调用OSIntCtxSw()进行中断级任务切换，继续执行任务
(11) 如果中断嵌套计数OSIntNesting不为0，中断未全部退出，则出栈上一个中断的上下文，执行被嵌套的上一级中断
.extern OSIntEnter
.extern OSIntExit
.extern OSIntNesting
.extern IRQ_Handler
.globl IRQ_SaveContext
IRQ_SaveContext:
SUB LR, LR, #4 // IRQ异常返回地址LR-4
STMFD SP!, {R0-R2} // 临时使用的工作寄存器压入IRQ栈
MRS R0, SPSR // 保存异常出现前的CPSR
MOV R1, LR // 保存LR
MOV R2, SP // 保存IRQ栈指针,用来出栈工作寄存器
ADD SP, SP, #(3 * 4) // 调整回IRQ栈的位置
MSR CPSR_c, #(I_Bit+F_Bit+Mode_SVC) // 禁止中断切换到管理模式
STMFD SP!, {R1} // 压栈打断任务的PC
STMFD SP!, {LR} // 压栈打断任务的LR
STMFD SP!, {R3-R12} // 压栈打断任务的R12-R3
LDMFD R2!, {R5-R7} // 从IRQ栈恢复R2-R0
STMFD SP!, {R5-R7} // 压栈打断任务的R2-R0
STMFD SP!, {R0} // 压栈打断任务的CPSR
LDR R0, =OSIntNesting //获得中断嵌套计数
LDRB R1, [R0]
CMP R1, #0 //判断任务被中断还是中断嵌套
BNE IntteruptNesting // 中断嵌套不用更新任务栈指针
LDR R0, =OSTCBCur // 任务被中断打断,获得打断任务TCB
LDR R1, [R0] // 获得打断任务栈指针
STR SP, [R1] // SP栈保存进打断任务栈指针
IntteruptNesting:
LDR R0, =OSIntEnter //调用OSIntEnter()进行中断嵌套计数
MOV LR, PC
BX R0
MSR CPSR_c, #(I_Bit+F_Bit+Mode_SYS) // 切换到系统模式,使用系统模式栈处理中断
STMFD SP!, {LR} // 压栈系统模式LR
LDR R0, =IRQ_Handler // 调用IRQ处理函数
MOV LR, PC
BX R0
LDMFD SP!, {LR} // 出栈系统模式LR
MSR CPSR_c, #(I_Bit+F_Bit+Mode_SVC)// 切换到管理模式,使用任务栈进行出栈
LDR R0, =OSIntExit // 调用OSIntExit()进行中断减计数,可能不返回
MOV LR, PC
BX R0
LDMFD SP!, {R0} // 中断发生嵌套,出栈上一个中断的上下文
MSR SPSR_cxsf, R0
LDMFD SP!, {R0-R12, LR, PC}^
3.3. os_cpu_c.c文件的编写
uCOS-II需要编写十个简单的钩子函数，如果没有特殊需求，可以留空。OSInitHookBegin()、OSInitHookEnd()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskIdleHook()、OSTaskStatHook()、、OSTaskSwHook()、OSTCBInitHook()、OSTimeTickHook()、OSTaskReturnHook()。其中较重要的还有OSTaskStkInit()函数，这个函数用来初始化任务栈，任务状态的，是必需的。
3.3.1. OSTaskStkInit()函数
#define Mode_SVC 0x13
#define Mode_THUMB 0x20
#define Mode_ARM 0x00
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos,INT16U opt)
{
OS_STK *stk;
(void)opt; /* 避免编译器警告 */
stk = ptos; /* 获取堆栈指针 */
*stk = (OS_STK) task; /* pc */
*--stk = (OS_STK) task; /* lr */
*--stk = 0; /* r12 */
*--stk = 0; /* r11 */
*--stk = 0; /* r10 */
*--stk = 0; /* r9 */
*--stk = 0; /* r8 */
*--stk = 0; /* r7 */
*--stk = 0; /* r6 */
*--stk = 0; /* r5 */
*--stk = 0; /* r4 */
*--stk = 0; /* r3 */
*--stk = 0; /* r2 */
*--stk = 0; /* r1 */
*--stk = (unsigned int)pdata; /* 使用R0传递参数 */
if (((OS_STK)task & 0x01u) ==0x01u) { /* 判断任务是运行在Thumb模式还是在ARM模式 */
*--stk = (OS_STK)(Mode_SVC |Mode_THUMB); /* CPSR,任务工作在Thumb状态管理模式 */
} else {
*--stk = (OS_STK)(Mode_SVC |Mode_ARM); /* CPSR,任务工作在ARM状态管理模式 */
}
return (stk);
}
3.3.2. 钩子函数
钩子函数可以扩展用户的代码到内核中，实现一些特定的功能，无特殊功能需求，可留空。
void OSInitHookBegin (void)
{
}
void OSInitHookEnd (void)
{
}
void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb)
{
ptcb = ptcb;
}
void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb)
{
(void)ptcb;
}
void OSTaskSwHook (void)
{
}
void OSTaskStatHook (void)
{
}
void OSTCBInitHook (OS_TCB *ptcb)
{
(void)ptcb;
}
void OSTimeTickHook (void)
{
}
void OSTaskIdleHook (void)
{
}
void OSTaskReturnHook(OS_TCB *p_tcb)
{
(void)(p_tcb);
}
S3C2416裸机开发系列十五_GCC下uCOS的移植(1)