嵌入式实时操作系统Nucleus PLUS在S3C2410A上移植的实现

引言

Nucleus PLUS是美国ATI 公司为实时性要求较高的嵌入式系统应用设计的操作系统内核。约95%的Nucleus PLUS代码用ANSI C语言编写，因此，非常便于移植并能够支持大多数类型的微处理器，如X86、68K、PowerPC、MIPS、ARM等。经过截减编译后，Nucleus PLUS 核心代码区一般不超过20KB大小。 同时提供TCP/IP网络、图形界面Grafix、文件系统File等模块。还有一个特点就是免费提供源代码，有利于节省开发费用。

S3C2410A是三星公司推出的基于ARM920T内核高性能低功耗16/32位RISC微控制器，内部集成了丰富的系统外围控制器。配合Nucleus PLUS操作系统可方便地开发出适于手持设备和各种低功耗产品的应用程序，加快新产品的上市时间。

Nucleus PLUS启动过程

嵌入式实时操作系统内核Nucleus PLUS的启动过程如图1所示。其中板级初始化(INT_Initialize)主要是完成中断向量表、系统堆栈、时钟中断等基本硬件初始化；操作系统初始化(INC_Initialize)主要是完成邮箱、队列、管道、信号量、事件集等软件组件初始化；应用程序初始化(Application_Initialize (first_available_memory))主要是完成用户定义的应用程序初始化，如创建内存池，创建任务、创建信号量、创建中断、编写用户应用程序等。移植的过程中，需要修改的是板级初始化(INT_Initialize)这部分内容，它是由ARM汇编语言编写的，下面详细叙述。

　　　　　　　　　　　　　图1 Nucleus PLUS 启动过程

Nucleus PLUS移植过程

INT-Reset子程序修改

INT_Reset是Nucleus PLUS启动时的程序入口，因为根据ARM微处理器的体系结构，在系统硬件上电或复位后，ARM所执行的第一条指令在地址0x00000000，即ARM的复位异常(Reset)向量地址，所以在这个地址要放置一个跳转指令：B INT_Reset 。
在INT_Reset这个子程序中放置的是硬件初始化程序，完成两个功能：

1. 改变ARM工作模式为管理模式(Supervisor Mode)，管理模式是ARM提供给操作系统使用的一种保护模式；
2. 屏蔽FIQ和IRQ中断，因为在整个系统初始化的过程中，不能被中断打断，只有在中断服务子程序初始化结束后，才可以打开中断，进而响应中断。

　INT_Reset
　MRS R1,CPSR
　BIC R1,R1,#MODE_MASK
　ORR R1,R1,#SUP_MODE
　ORR R1,R1,#LOCKOUT
　MSR CPSR_cxsf,R1

建立异常向量表和中断向量表

根据ARM的体系结构，ARM有7种类型的异常(Exception)，每种异常都有各自入口地址，即异常向量表(Exception Vectors)。异常向量表放置在从0X00000000地址开始，连续32字节的空间内。S3C2410A共有56个中断源，但有些中断源共用一个中断向量，所以只要求创建包含32个中断源的中断向量表。

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

配置存储器控制器和MMU

MMU(Memory Manage Unit)是存储器管理单元的缩写，用来实现虚拟地址到实际物理地址的映射。它是ARM的一部分，本身有少量存储空间放置从虚拟地址到物理地址的匹配表，即转换旁置缓冲区 (TLBs－Translation Lookaside Buffers)。MMU实现两个主要功能，将虚拟地址转换成物理地址和控制存储器的存取使能。

通过配置S3C2410A的存储器控制器来初始化S3C2410A目标板的外围存储器。主要是设置存储器类型、总线宽度、信息，重点是对SDRAM进行设置，如列地址数、信号线时序等。

堆栈初始化

C和ARM汇编源文件经过ARM开发环境ADS1.2编译链接后，生成的映像(Image)文件包含RO(只读代码、数据段)、RW(可读写数据段)和ZI(将要初始化为0的段)三个输出段。当映像文件加载到flash中的时，RO段和RW段在Flash中的位置见图2(a)，其中|Image$$RO$$Base|是RO段的开始地址，也是包含RO输出段的加载和执行地址，可以在ARM Linker中设置，即-ro-base的值，从flash启动时，这个值设置为0x00000000，ZI段不需要加载到flash中。当硬件电路复位后，映像文件中的RW段需要从Flash中拷贝到SDRAM内，同时要将ZI输出段的内容需要用“0”进行初始化，此时输出段在存储区内的位置见图2(b)。|Image$$RW$$Base|是包含RW输出段的执行地址，这个地址值也需要在ARM Linker中设置，即-rw-base的值，一般将-rw-base的值设置到SDRAM的地址范围内，在这里设置为SDRAM的首地址0x30000000。在Nucleus PLUS移植的过程中要编写代码，完成以上操作过程。

　　　　　　　　　　图2 加载和执行时存储区分布

ARM有7种运行模式分别为：用户模式(usr)、快速中断模式(fiq)、外部中断模式(irq)、管理模式(svc)、数据访问中止模式(abt)、系统模式(sys)和未定义指令中止模式(und)。在堆栈初始化时，应对S3C2410A的每种运行模式分别设置堆栈，一般堆栈的大小可以设置为4KB。另外还要对HISR(High-Level Interrupt Service Routines)堆栈的起始地址、大小和优先级进行设置，它的堆栈大小可设为2KB。

中断初始化

1. 将Nucleus PLUS异常中断向量表从ROM中复制到RAM中，即：将地址为0x00000000的异常中断向量表复制到地址0x33FFFF00处，这样在中断响应的过程中就可以从RAM中提取异常中断向量表，提高中断的响应速度；
2. 关闭看门狗时钟，创建所有IRQ中断的中断向量表；
3. 清除所有中断的判断位。　

系统时钟中断初始化

因为Timer4是用来作为Nucleus PLUS的系统时钟的，所以在嵌入式实时操作系统移植的过程中，一定要对它的时钟中断进行配置，配置过程如下：

1. 设置S3C2410A的内部定时器Fimert定时器的中断周期为10ms；
2. 建立Timer4的中断向量，用Timer4时钟作为Nucleus PLUS的系统节拍时钟；
3. 初始化S3C2410A的MPLL控制寄存器MPLLCON，将S3C2410A的主时钟FCLK设置为266MHz；
4.设置分频器寄存器CLKDIVN使HCLK = FCLK/2，PCLK = HCLK/2。

设置系统可用存储区的首地址

在板级初始化程序(INT_ Initialize)结束后，系统开始调用操作系统初始化程序(INC_Initialize)。这时需要设置可供用户使用的存储器首地址first_available_memory，令first_available_memory= |Image$$bss$$ZI$$Limit|，其中|Image$$bss$$ZI$$Limit|是ARM链接器生成的可执行映像文件中初始化为0段(ZI段)的终止地址。修改后调用程序INC_Initialize(VOID *first_available_memory)，即进入操作系统初始化。Nucleus PLUS的移植工作也宣告结束。

结语

本文详细介绍了Nucleus PLUS在S3C2410A上的移植过程和方法，移植后的代码在深圳优龙科技有限公司的FS2410开发板上运行正常，可以实现多任务调度、任务间通信和中断响应。因为移植过程是针对特定的硬件环境的，所以移植中要采用ARM汇编语言，这是嵌入式操作系统移植的难点。移植的重点是建立中断向量表、创建操作系统的系统时钟中断和设置系统堆栈。本文论述的移植方法对其他嵌入式操作系统在ARM微处理器上的移植过程也有一定的借鉴价值。

参考文献

1．杜春雷编著．《ARM体系结构与编程》．北京．清华大学出版社．2003.2
2．ARM Limited． ARM920T technical reference manual． 2000
3．Samsung Electronics． S3C2410A RISC Microprocessor Reference Manual．2003
4．Accelerated Technology，Inc.，Nucleus PLUS Reference Manual．2000
5．贺磊．一种嵌入式实时操作系统Nucleus PLUS．电信交换．2001.1