李承創(chuàng)，陳躍斌，房曉麗，王兵

（云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，昆明 650031）

引 言

μC／OS－III是一款基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實時內(nèi)核，Micrium公司于2011年8月公開了μC／OS－III的源碼，其源碼遵循ANSI C標準，因而具有良好的移植性，相信其將會被移植到越來越多的處理器體系上。本文主要完成基于Cortex－M3處理器的μC／OS－III移植，通過本次移植，加深對嵌入式操作系統(tǒng)原理的理解。此外，在μC／OS－III移植成功的基礎(chǔ)上進行嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)，可以把主要精力集中到應(yīng)用程序上，而硬件資源交由μC／OS－III管理，從而使得嵌入式應(yīng)用程序更易開發(fā)和維護，在嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜的今天具有現(xiàn)實意義。

1 μC／OS－III和Cortex－M3特點

相對以前的版本，μC／OS－III最大改進之處在于允許多個任務(wù)運行于同一優(yōu)先級上，相同優(yōu)先級的任務(wù)按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，內(nèi)核對象的數(shù)量不受限制，以及接近于零的中斷禁用時鐘周期。

Cortex－M3是ARM公司推出的基于ARMv7－M架構(gòu)的內(nèi)核，主要針對高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用。Cortex－M3擁有固定的存儲器映射，采用更高效的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）、更簡單的堆棧以及更高性能的指令集，且NVIC（包括SysTick）的寄存器位置固定，極大地方便了μC／OS－III的移植及在基于Cortex－M3內(nèi)核的處理器之間的遷移。

2 移 植

2.1 移植方案

本文移植μC／OS－III內(nèi)核的版本為 V3.02.00，其源代碼下載地址見參考文獻［4］。選用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103RBT6微控制器作為硬件實驗平臺，而編譯環(huán)境采用RealView MDK V3.5。

Cortex－M3支持兩種特權(quán)級別：特權(quán)級和用戶級，μC／OS－III內(nèi)核和用戶代碼都運行于特權(quán)級下。Cortex－M3還支持兩個棧指針 MSP和PSP，μC／OS－III內(nèi)核和ISR（Interrupt Service Routine）使用 MSP，μC／OS－III的任務(wù)則使用PSP。

首先針對Cortex－M3處理器的特性編寫與內(nèi)核、CPU和BSP（Board Support Package）相關(guān)的源代碼，然后創(chuàng)建若干個簡單的用戶任務(wù)，在具體的硬件平臺上測試移植后的μC／OS－III。

2.2 內(nèi)核相關(guān)

2.2.1 編寫os＿cpu.h

os＿cpu.h頭文件主要是對上下文切換函數(shù)和時間戳獲取函數(shù)進行宏定義。μC／OS－III的上下文切換包括兩種類型：任務(wù)級上下文切換OS＿TASK＿SW（）和中斷級上下文切換OSIntCtxSw（）。它們使用相同的代碼置位ICSR.PENDSVSET以懸起PendSV異常，由PendSV的ISR“緩期執(zhí)行”上下文切換。

OS＿TS＿GET（）的作用是獲取當前時間戳，若使能μC／OS－III的時間戳功能，則將 OS＿TS＿GET（）宏定義為CPU＿TS＿TmrRd（），否則簡單地宏定義為0。

2.2.2 編寫os＿cpu＿a.asm

在os＿cpu＿a.asm文件中需要用匯編指令實現(xiàn)OSStartHighRdy（）函數(shù)和PendSV的ISR。OSStartHighRdy（）函數(shù)被內(nèi)核用于調(diào)度第一個最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)，以開始多任務(wù)運行環(huán)境，匯編代碼實現(xiàn)如下：

Cortex－M3支持PendSV異常，而PendSV異常的典型應(yīng)用場合就是上下文切換。得益于Cortex－M3的中斷機制，μC／OS－III上下文切換只需保存和恢復(fù) R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自動保存和恢復(fù)。PendSV的ISR匯編代碼如下：

2.2.3 編寫os＿cpu＿c.c

os＿cpu＿c.c文件包含了 OSTaskStkInit（）函數(shù)和若干鉤子函數(shù)。OSTaskStkInit（）函數(shù)的作用是在創(chuàng)建任務(wù)時初始化任務(wù)棧，并返回新的棧頂位置。μC／OS－III基于Cortex－M3的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五個寄存器應(yīng)賦予正確的初值，而其他11個寄存器的初值無關(guān)重要。

基于云計算平臺的白酒發(fā)酵智能專家系統(tǒng)利用云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為傳統(tǒng)白酒生產(chǎn)過程注入高科技的血液，使傳統(tǒng)白酒的生產(chǎn)向科學(xué)化和信息化邁出一大步，對白酒生產(chǎn)、質(zhì)量和產(chǎn)量的提高具有指導(dǎo)意義，進一步的提升經(jīng)濟效益和社會效益，對提高傳統(tǒng)白酒釀造的研究有深遠的影響。

圖1 μC／OS－III基于Cortex－M3的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)

os＿cpu＿c.c文件中的鉤子函數(shù)是 μC／OS－III為了擴展用戶功能而定義的。進行μC／OS－III移植時至少需要定義 OSTaskSwHook（）、OSInitHook（）、OSTimeTick－Hook（）、OSIdleTaskHook（）、OSStatTaskHook（）、OSTa－skCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskReturnHook（）八個鉤子函數(shù)。為了簡單起見，本次移植不對鉤子函數(shù)作功能擴展。

2.3 CPU相關(guān)

2.3.1 編寫cpu.h

cpu.h頭文件主要包括對標準數(shù)據(jù)類型、字長、棧、臨界區(qū)的相關(guān)定義。標準數(shù)據(jù)類型與具體的編譯器相關(guān)，需要查閱相應(yīng)的編譯器手冊。Cortex－M3字長是32位，則CPU＿DATA和CPU＿ADDR皆定義為CPU＿INT32U類型。Cortex－M3使用滿降序棧，棧增長方向應(yīng)為從高地址到低地址。臨界區(qū)方法選用CPU＿CRITICAL＿METHOD＿STATUS＿LOCAL。

2.3.2 編寫cpu＿a.asm

cpu＿a.asm文件的最主要部分是臨界區(qū)函數(shù)的實現(xiàn)。根據(jù)所選用的臨界區(qū)方法，中斷使能函數(shù)CPU＿SR＿Save（）和中斷禁用函數(shù)CPU＿SR＿Restore（）代碼實現(xiàn)如下：

Cortex－M3的指令集提供了CLZ指令，則可選地使用匯編指令實現(xiàn)CPU＿CntLeadZeros（）函數(shù)，以加快μC／OSIII調(diào)度器查找最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)的速度，CPU＿CntLeadZeros（）函數(shù)匯編代碼實現(xiàn)如下：

2.4 BSP

Cortex－M3內(nèi)核包含了一個SysTick定時器，可以用來給μC／OS－III提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。SysTick初始化和ISR的源代碼實現(xiàn)分別如下：

μC／OS－III新增了時間戳功能，用于測量中斷禁用時長、代碼執(zhí)行時長和確定事件發(fā)生時間等。時間戳定時器可以由DWT（Data Watchpoint and Trace）的時鐘周期計數(shù)器CYCCNT充當，該計數(shù)器是一個自由運行的32位遞增計數(shù)器，溢出時自動重載為0，周而復(fù)始。時間戳定時器初始化和讀取函數(shù)源代碼實現(xiàn)分別如下：

此外，本移植過程的BSP還涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函數(shù)和驅(qū)動程序。

3 測 試

首先不加任何用戶任務(wù)來測試移植好的μC／OS－III內(nèi)核自身運行情況，待驗證內(nèi)核正常運行之后，編寫TaskLed1、TaskLed2、TaskLed3、TaskProfile四個任務(wù)，其中前3個任務(wù)被賦予相同的優(yōu)先級（本移植是假設(shè)使能了μC／OS－III的輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能），實現(xiàn)對3盞LED燈不停地閃爍；而TaskProfile的功能是在液晶屏上顯示上下文切換次數(shù)。

運行結(jié)果如圖2所示。圖中3盞LED燈不停地閃爍，驗證了 μC／OS－III的相同優(yōu)先級任務(wù)輪轉(zhuǎn)調(diào)度的特征；LCD上顯示CtxSwC－tr的值一直在增加，指示不斷發(fā)生上下文切換。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行5個小時以上沒出現(xiàn)任何問題，可見本移植是成功的。

圖2 運行結(jié)果

結(jié) 語

本文主要論述了基于Cortex－M3內(nèi)核處理器上μC／OS－III的移植過程并給出關(guān)鍵代碼，移植后的μC／OS－III能夠穩(wěn)定運行于STM32F103RBT6處理器上。本移植能通用于大部分Cortex－M3內(nèi)核的處理器，并對于將μC／OS－III移植到其他體系結(jié)構(gòu)的處理器上具有參考價值。

［1］Matt Gordon.Micrium makesμC／OS－III source available［EB／OL］.［2011－11］.http：／／micrium.com／page／press＿room／news／id：65.

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［3］ARM 中國.針對 ARM Cortex－M3平臺的代碼移植［J］.Information Quarterly，2007（6）：44－46.

［4］Micrium.DownloadμC／OS source code［EB／OL］.［2011－10－23］.http：／／micrium.com／page／downloads／source＿code.

［5］Joseph Yiu.The definitive guide to the ARM Cortex－M3［M］.2th ed.Burlington：Newnes，2010：127－129.

［6］方安平，蔡俊宇.Cortex－M3的異常處理機制研究［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（2）：15－16.

［7］邵貝貝.淺談μC／OS任務(wù)調(diào)度算法的硬件實現(xiàn)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（9）：5－7.