周兆豐，侯向鋒，魯池梅，李蓮英

(1. 湖北師范學(xué)院 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 黃石 435002；2. 湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002；3.許昌學(xué)院，河南 許昌 461000)

0 引言

在基于ARM公司最新的Cortex-M架構(gòu)的處理器中，ST(意法半導(dǎo)體)以占有45%銷售份額的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于其它廠商，因而其STM32系列的處理器一直是被關(guān)注的焦點(diǎn)。

CMSIS是獨(dú)立于供應(yīng)商的Cortex-M處理器系列硬件抽象層，為芯片廠商和中間件供應(yīng)商提供了連續(xù)的、簡單的處理器軟件接口，簡化了軟件復(fù)用，降低了Cortex-M3上操作系統(tǒng)的移植難度，并縮短了新入門的微控制器開發(fā)者的學(xué)習(xí)時(shí)間和新產(chǎn)品的上市時(shí)間。

ST針對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了自己的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫，也叫固件庫，最新版本為3.5.固件庫包括了所有的片上外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，穩(wěn)定性高且易于開發(fā)，因而基于固件庫的開發(fā)已經(jīng)成為了主流，絕對(duì)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于傳統(tǒng)的基于寄存器的開發(fā)。

μC/OS是一種可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、搶占式的、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，因其對(duì)于學(xué)校研究完全免費(fèi)，代碼風(fēng)格良好，功能強(qiáng)大穩(wěn)定，所以被廣泛應(yīng)用，且特別適合用來學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。μC/OS-II已經(jīng)成為世界上最流行的免費(fèi)實(shí)時(shí)內(nèi)核，最新版為μC/OS-III.

基于上述原因，μC/OS-II在STM32處理器上的移植早已成為研究的熱點(diǎn)，移植的文檔多是研究μC/OS-II與STM32處理器關(guān)系的傳統(tǒng)方法，傳統(tǒng)方法分析了μC/OS-II中與設(shè)備相關(guān)的文件的修改方法，卻沒有很好的利用固件庫，因此本文提出了基于固件庫開發(fā)的移植新方法。本文的移植主要是針對(duì)有固件庫開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生和技術(shù)人員，并且選用了STM32F103RB處理器和2.86版的μC/OS-II.

1 移植相關(guān)背景

所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為了解決好μC/OS-II與固件庫及處理器之間的關(guān)系，先介紹相關(guān)的知識(shí)。

1.1 基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)

該架構(gòu)主要分為以下4層：用戶應(yīng)用層、操作系統(tǒng)及中間件接口層、CMSIS層、硬件寄存器層。CMSIS分為3個(gè)基本功能層：核內(nèi)外設(shè)訪問層、中間件訪問層和設(shè)備訪問層。CMSIS層起著承上啟下的作用：一方面該層對(duì)硬件寄存器層進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，屏蔽了不同廠商對(duì)Cortex-M系列微處理器核內(nèi)外設(shè)寄存器的不同定義；另一方面又向上層的操作系統(tǒng)及中間件接口層和應(yīng)用層提供接口，簡化了應(yīng)用程序開發(fā)難度，使開發(fā)人員能夠在完全透明的情況下進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。

ST的固件庫，就是一個(gè)典型的無操作系統(tǒng)的基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的軟件架構(gòu)。如圖1(b)所示startup為基于匯編的啟動(dòng)代碼文件，USER為用戶應(yīng)用層，BSP是與開發(fā)板相關(guān)的硬件驅(qū)動(dòng)文件(如led.c)，F(xiàn)Wlib為標(biāo)準(zhǔn)的核內(nèi)外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，CMSIS為如上所述的CMSIS層。uC-CPU與uC-LIB是廠商自帶的移植文件完全可以被標(biāo)準(zhǔn)CMSIS及函數(shù)取代，Scatter離散加載文件與uC-Probe(方便監(jiān)控與控制的實(shí)用工具)本次移植不需要。

1.2 μC/OS架構(gòu)

μC/OS主要分為應(yīng)用層，與設(shè)備無關(guān)的代碼層，配置層和與設(shè)備有關(guān)的硬件層。

針對(duì)圖1(a)所示，應(yīng)用層為APP文件，與設(shè)備無關(guān)的代碼層為uC-OS-II/Source文件，配置層包括os_cfg.h,app_cfg.h,includes.h等文件，與設(shè)備有關(guān)的硬件層為uC-OS-II/Port文件，這也是移植的核心所在。

(a) Micrium_STM32xxx_uCOS-II工程 (b)LED流水燈工程 (c)uCOS_BF 工程(移植后)

針對(duì)上述介紹，本文移植的主要內(nèi)容有：

1)圖1(b)需要圖1(a)中的μC/OS-II源碼(uC-OS-II/Source和uC-OS-II/Port)及相關(guān)配置文件；

2)兩者功能重復(fù)的文件選擇圖1(b)，如啟動(dòng)文件和Systick相關(guān)的時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)；

3)該變量大的自己重新寫如includes.h和一些配置文件；

4)需自己重新編寫的文件主函數(shù)main.c和任務(wù)函數(shù)等。

2 移植主要步驟

2.1 下載Micrium_STM32xxx_uCOS-II工程

打開Micrium官方網(wǎng)站的下載中心(網(wǎng)址http://micrium.com/downloadcenter/)，在Browse by Semiconductor Vendor下點(diǎn)擊STMicroelectronics進(jìn)去，找到如圖2所示文件，下載第一個(gè)壓縮文件包，即Micrium_STM32xxx_uCOS-II工程,解壓并重新編譯后，沒有錯(cuò)誤和警告。

圖2 相關(guān)程序包

2.2 完善uCOS-II文件

拷貝uCOS-II文件夾至STM32_LED工程根目錄，此時(shí)uCOS-II目錄下有Doc，Ports和Source文件夾，在此文件夾下創(chuàng)建Port與Config文件夾并拷貝PortsARM-Cortex-M3GenericRealView下所有文件到Port文件夾下，然后刪除此文件夾?？截恑nclude.h(需重寫)與os_cfg.h文件到Config文件夾下。Port文件中包含了OS_CPU.H，OS_CPU_C.C與OS_CPU_A.ASM文件，是移植中最重要的文件，但是底層函數(shù)已經(jīng)寫好，因?yàn)槲覀兿螺d的就是針對(duì)這款處理器的，但是需要對(duì)其做一些針對(duì)性的修改，另外針對(duì)重要的函數(shù)運(yùn)行過程在后面會(huì)重點(diǎn)介紹。

2.3 完善BSP文件

在uCOS-II根目錄創(chuàng)建BSP文件夾并創(chuàng)建BSP.C，BSP.H文件，用來放置系統(tǒng)初始化相關(guān)函數(shù)，然后再拷貝led.c與led.h文件到此目錄。

2.4 修改SysTick定時(shí)相關(guān)函數(shù)

編譯時(shí)會(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)誤，.OutputSTM32_LED.axf: Error: L6218E: Undefined symbol OS_CPU_SysTickClkFreq (referred from os_cpu_c.o).這是由于沒找到OS_CPU_SysTickClkFreq()函數(shù)引起的，因?yàn)镾T庫函數(shù)中有更直觀的SysTick函數(shù)，所以u(píng)COS-II中與SysTick相關(guān)的函數(shù)我們需要屏蔽掉。具體如下：

1)此時(shí)先把Port文件夾下文件的只讀屬性去除，然后屏蔽OS_CPU_C.C中OS_CPU_SysTickHandler()與OS_CPU_SysTickInit()函數(shù)；

2)在BSP.C中添加SysTick_init()函數(shù)

void SysTick_init(void)

{ SysTick_Config(SystemFrequency/OS_TICKS_PER_SEC); }

//此處需要修改優(yōu)先級(jí)為14，目的是大于OS_CPU_PendSV_Handler的優(yōu)先級(jí)15。

3)在stm32f10x_it.c文件中的SysTick_Handler()中斷函數(shù)中添加OSIntEnter()、OSTimeTick()及OSIntExit()。用#include "includes.h" 替換掉所有的頭文件包含語句。

4)修改啟動(dòng)代碼文件startup_stm32f10x_hd.s

在啟動(dòng)文件中修改三處PendSV_Handler為OS_CPU_PendSVHandler，因?yàn)镻endSV異常函數(shù)在OS_CPU_A.ASM中的名稱就是OS_CPU_PendSVHandler。

5)重寫includes.h

只要包含stm32f10x.h，ucos_ii.h，BSP.h，tasks.h，led.h幾個(gè)頭文件就夠了。

6)修改os_cfg.h

禁用信號(hào)量、互斥信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列、信號(hào)量集、定時(shí)器、內(nèi)存管理等，并關(guān)閉調(diào)試模式，禁用鉤子函數(shù)和多重事件控制，用#define OS_TICKS_PER_SEC 100;來設(shè)定時(shí)鐘節(jié)拍頻率，用#define OS_LOWEST_PRIO 40;來定義最低優(yōu)先級(jí)，可根據(jù)實(shí)際需要修改。

7)添加task.c與task.h

將此任務(wù)文件添加到USER文件夾下，給每個(gè)任務(wù)分配堆棧，并編寫3個(gè)簡單的LED閃爍任務(wù)。

8)編寫主函數(shù)main.c文件，并調(diào)試運(yùn)行

#include "includes.h"

OS_STK TASK_START_STK[START_STK_SIZE]; //定義棧大小

int main(void)

{

BSP_Init();

OSInit();

OSTaskCreate(TaskStart,(void *)0,

(OS_STK*)&TASK_START_STK[START_STK_SIZE-1], START_TASK_Prio);

OSStart();

return 0;

}

3 移植的關(guān)鍵函數(shù)分析

3.1 OS_CPU_C.C中的堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInt().

了解此函數(shù)需要明白下面幾點(diǎn)：

1)用于在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)初始化任務(wù)堆棧，也就是需要去模擬進(jìn)入中斷時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)，總共R0-R15,xPSR共16個(gè)寄存器。

2)堆棧屬性：滿遞減。

3)入棧順序：首先是xPSR，PC，LR，R12，R3，R2，R1，R0，是發(fā)生中斷時(shí)由硬件自動(dòng)壓棧的，其次是R11，R10，R9，R8，R7，R6，R5，R4，是手動(dòng)入棧的。

4)內(nèi)部入棧順序如圖3所示。

圖3 內(nèi)部入棧序列

CM3內(nèi)核在內(nèi)部打亂了入棧順序[1]，其原因是：

a)PC與xPSR先入棧就可以更早地啟動(dòng)服務(wù)例程指令的預(yù)取(因?yàn)榇藭r(shí)需要修改PC)，同時(shí)也做到了在早期就可以更新xPSR中IPSR位段的值；

b)先R0-R3，最后是R12，為的是更容易地使用SP基址來索引尋址(如LDM)；

c) 先xPSR，PC，LR，R0-R3，R12后R4-R11為的是遵守C函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用約定《AAPCS，Ref5》，這個(gè)約定使得中斷服務(wù)函數(shù)可以用C編寫，編譯器優(yōu)先使用先入棧的寄存器保存中間結(jié)果。

5)*(stk) = (INT32U)0x01000000L; /* xPSR */，xPSR的T位置1，否則一開始就會(huì)產(chǎn)生Fault。

6)*(--stk) = (INT32U)task;/* Entry Point */，PC指向任務(wù)端口。

7)*(--stk) = (INT32U)0xFFFFFFFEL;/*LR，last bit 0*/ 非法值，目的是不讓任務(wù)返回。

8)*(--stk) = (INT32U)p_arg; /* R0 */ 目的是傳遞任務(wù)函數(shù)的參數(shù)。

3.2 OS_CPU_A.ASM中的PendSV異常函數(shù)OS_CPU_PendSVHandler

因?yàn)樵贠S_CPU_A.ASM中，四個(gè)關(guān)鍵匯編函數(shù)OSStartHighRdy()，OSCtxSw()與OSIntCtxSw()和OSTickISR()[2]，其中前三個(gè)都需要出發(fā)PendSV異常，所以深入理解OS_CPU_PendSVHandler函數(shù)是理解底層運(yùn)行過程的關(guān)鍵。

了解此函數(shù)需要理解以下幾點(diǎn)：

1)PendSV是用來進(jìn)行上下文切換的。

2)對(duì)比由Systick，用PendSV做上下文切換可以解決在SysTick中啟動(dòng)上下文切換所帶來的ISR被延遲得不到及時(shí)響應(yīng)的問題的。原因是PendSV異常會(huì)自動(dòng)延遲上下文的請(qǐng)求直到其它的ISR都完成了處理任務(wù)后才放行，因此PendSV的優(yōu)先級(jí)是被設(shè)置為最低的。

3)PendSV異常的執(zhí)行過程

PendSV,的異常處理函數(shù)具體工作是：

a)禁止中斷，獲取當(dāng)前堆棧指針(PSP)，如果為0(認(rèn)為是第一次進(jìn)行上下文切換)則不保存R4-R11，否則將堆棧指針減0x20，手動(dòng)保存余下的R4-R11，再將SP保存到當(dāng)前的任務(wù)控制塊(TCB)中。

b)壓棧R14(LR)，調(diào)用OSTaskSwHook()，獲取最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堆棧指針，手動(dòng)存入R4-R11，然后將堆棧指針加0x20，調(diào)整LR，使能中斷，然后進(jìn)行異常返回。取最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堆棧指針，LDM PSP {R4-R11}，然后指針-0x20，原理同上，將新指針存入PSP。此時(shí)內(nèi)容切換基本完成，再手動(dòng)設(shè)置下LR值，使得返回時(shí)使用PSP指針。

4)注意上述過程中對(duì)堆棧指針加0x20和減0x20的原因在于Cortex-M3在發(fā)生異常中斷時(shí)會(huì)對(duì)8個(gè)寄存器進(jìn)行自動(dòng)壓棧和出棧。

4 結(jié)論

雖然從Micrium官方網(wǎng)站上可以下載到移植好的程序包，但是此程序包與基于CMSIS標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)的固件庫還有很大的區(qū)別。因?yàn)椴患嫒?，所以讓長期習(xí)慣與固件庫開發(fā)的學(xué)生和技術(shù)人員直接用此程序包，還是很不適應(yīng)的。本文正是基于這個(gè)原因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員提供了新的移植方法，讓他們能夠在自己熟悉的固件庫環(huán)境下很好的使用μC/OS-II操作系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

[1]Joseph Yiu.ARM Cortex-M3 權(quán)威指南[M].北京:航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]Jean J Labrosse.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ(第2版)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社，2003.