μC／OS-III在Cortex-M3处理器上的移植

摘要：为了将μC／OS-III移植到Cortex-M3处理器上，选用RealView MDK作为软件开发平台，针对Cortex-M3处理器特性编写了移植所需的C语言和汇编语言源代码，并验证了移植的正确性。移植后的μC／OS-III能够稳定运行于Cortex-M3处理器上。该移植对大部分Cortex-M3处理器具有通用性，对其他架构处理器的μC／OS-III移植具有参考作用。
关键词：μC／OS-III；嵌入式操作系统；ARM；Cortex-M3；移植

引言
    μC／OS-III是一款基于优先级调度的抢占式实时内核，Micrium公司于2011年8月公开了μC／OS-III的源码，其源码遵循ANSIC标准，因而具有良好的移植性，相信其将会被移植到越来越多的处理器体系上。本文主要完成基于Cortex-M3处理器的μC／OS-III移植，通过本次移植，加深对嵌入式操作系统原理的理解。此外，在μC／OS-III移植成功的基础上进行嵌入式应用程序开发，可以把主要精力集中到应用程序上，而硬件资源交由μC／OS-III管理，从而使得嵌入式应用程序更易开发和维护，在嵌入式软硬件结构变得越来越复杂的今天具有现实意义。

1 μC／OS-III和Cortex-M3特点
    相对以前的版本，μC／OS-III最大改进之处在于允许多个任务运行于同一优先级上，相同优先级的任务按时间片轮转调度，内核对象的数量不受限制，以及接近于零的中断禁用时钟周期。
    Cortex-M3是ARM公司推出的基于ARMv7-M架构的内核，主要针对高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用。Cortex-M3拥有固定的存储器映射，采用更高效的NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)、更简单的堆栈以及更高性能的指令集，且NVIC(包括SysTick)的寄存器位置固定，极大地方便了μC／OS-III的移植及在基丁Cortex-M3内核的处理器之间的迁移。

2 移植
2．1 移植方案
    本文移植μC／OS-III内核的版本为V3．02．00，其源代码下载地址见参考文献。选用意法半导体(ST)公司生产的基于Cortex-M3内核的STM32F103RBT6微控制器作为硬件实验平台，而编译环境采用RealViewMDK V3．5。
    Cortex-M3支持两种特权级别：特权级和用户级，μC／OS-III内核和用户代码都运行于特权级下。Cortex-M3还支持两个栈指针MSP和PSP，μC／OS-III内核和ISR(Interrupt Service Routine)使用MSP，μC／OS-III的任务则使用PSP。
    首先针对Conex-M3处理器的特性编写与内核、CPU和BSP(Board Support Package)相关的源代码，然后创建若干个简单的用户任务，在具体的硬件平台上测试移植后的μC／OS-III。
2．2 内核相关
2．2．1 编写os_cpu．h
    os_cpu．h头文件主要是对上下文切换函数和时间戳获取函数进行宏定义。μC／OS-III的上下文切换包括两种类型：任务级上下文切换OS_TASK_SW()和中断级上下文切换OSIntCtxSw()。它们使用相同的代码置位ICSR．PENDSVSET以悬起PendSV异常，由PendSV的ISR“缓期执行”上下文切换。
    OS_TS_GET()的作用是获取当前时间戳，若使能μC／OS-III的时间戳功能，则将OS_TS_GET()宏定义为CPU_TS_TmrRd()，否则简单地宏定义为0。
2．2．2 编写os_cpu_a．asm
    在os_cpu_a．asm文件中需要用汇编指令实现OSStartHighRdy()函数和PendSV的ISR。OSStartHighRdy()函数被内核用于调度第一个最高优先级的就绪任务，以开始多任务运行环境，汇编代码实现如下：
   

    Cortex-M3支持PendSV异常，而PendSV异常的典型应用场合就是上下文切换。得益于Cortex-M3的中断机制，μC／OS-III上下文切换只需保存和恢复R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自动保存和恢复。PendSV的ISR汇编代码如下：
   

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2．2．3 编写os_cpu_c．c
    os_cpu_c．c文件包含了OSTaskStkInit()函数和若干钩子函数。OSTaskStkInit()函数的作用是在创建任务时初始化任务栈，并返回新的栈顶位置。μC／OS-III基于Cortex-M3的任务栈结构如图1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五个寄存器应赋予正确的初值，而其他11个寄存器的初值无关重要。

    os_cpu_c．c文件中的钩子函数是μC／OS-III为了扩展用户功能而定义的。进行μC／OS-III移植时至少需要定义OSTaskSwHook()、OSIn itHook()、OSTimeTickHook()、OSIdleTaskHook()、OSStatTaskHook()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskReturnHook()
八个钩子函数。为了简单起见，本次移植不埘钩子函数作功能扩展。
2．3 CPU相关
2．3．1 编写cpu. h
    cpu．h头文件主要包括对标准数据类型、字长、栈、临界区的相关定义。标准数据类型与具体的编译器相关，需要查阅相应的编译器手册。Cortex-M3字长是32位，则CPU_DATA和CPU_ADDR皆定义为CPU_INT32U类型。Cortex-M3使用满降序栈，栈增长方向应为从高地址到低地址。临界区方法选用CPU_CRITICAL_METHOD_STATUS_LOCAL。
2．3．2 编写cpu_a．asm
    cpu_a．asm文件的最主要部分是临界区函数的实现。根据所选用的临界区方法，中断使能函数CPU_SR_Save()和中断禁用函数CPU_SR_Res tore()代码实现如下：
   

    Cortex_M3的指令集提供了CLZ指令，则可选地使用汇编指令实现CPU_CntLeadZeros()函数，以加快μC／OS-III调度器查找最高优先级的就绪任务的速度，CPU_CntLeadZeros()函数汇编代码实现如下：
    CPU_CntLeadZeros
        CLZ R0，R0
        BX LR[!--empirenews.page--]
2．4 BSP
    Cortex-M3内核包含了一个SysTick定时器，可以用来给μC／OS-III提供系统时钟节拍。SysTick初始化和ISR的源代码实现分别如下：
   

  

    μC／OS-III新增了时间戳功能，用于测量中断禁用时长、代码执行时长和确定事件发生时间等。时间戳定时器可以由DWT(Data Watchpo int and Tracc)的时钟周期计数器CYCCNT充当，该计数器是一个自由运行的32位递增计数器，溢出时自动重载为0，周而复始。时间戳定时器初始化和读取函数源代码实现分别如下：
   

    此外，本移植过程的BSP还涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函数和驱动程序。

3 测试
    首先不加任何用户任务来测试移植好的μC／OS-III内核自身运行情况，待验证内核正常运行之后，编写TaskLed1、TaskLed2、TaskLe d3、TaskProfile四个任务，其中前3个任务被赋予相同的优先级(本移植是假设使能了μC／OS-III的轮转调度功能)，实现对3盏LED灯不停地
闪烁；而TaskProfile的功能是在液晶屏上显示上下文切换次数。

    运行结果如图2所示。图中3盏LED灯不停地闪烁，验证了μC／OS-III的相同优先级任务轮转调度的特征；LCD上显示CtxSwCtr的值一直在增加，指示不断发生上下文切换。系统连续稳定运行5个小时以上没出现任何问题，可见本移植是成功的。

结语
    本文主要论述了基于Cortex-M3内核处理器上μC／OS-III的移植过程并给出关键代码，移植后的μC／OS-III能够稳定运行于STM32F103RB T6处理器上。本移植能通用于大部分Cortex-M3内核的处理器，并对于将μC／OS-III移植到其他体系结构的处理器上具有参考价值。