μC/OS-II在PC机上移植的设计与实现

1 引言

μC/OS-II是专门为嵌入式系统应用而设计的嵌入式实时操作系统，人们在学习μC/OS-II时，一开始往往在基于PC机的DOS或 Windows环境下进行分析与研究。在这种环境中，带有μC/OS-II内核的应用系统(简称μC/OS-II应用系统)的运行，让人觉得它好像是一个 DOS程序，人们无法真实地领略实时操作系统的面貌。实际上，在PC机的DOS或Windows环境中，μC/OS-II应用系统确实是一个DOS可执行程序，它的运行离不开DOS或Windows环境。为了让更多的人掌握和理解μC/OS-II实时操作系统，笔者对μC/OS-II进行移植，使其完全脱离DOS或Windows环境而运行。首先设计Bootloader引导程序，由它来装入μC/OS-II应用系统;其次修改BORLAND C++编译器中的EXE启动代码，剥去与DOS相关的代码;最后修改μC/OS-II内核代码中与硬件平台相关部分的代码，使其能正常运行和正常退出。

2 bootloader的设计

Bootloader引导程序的设计是嵌入式系统软件开发的一个重要环节，它把操作系统和硬件平台衔接在一起，通过初始化硬件设备、建立内存空间映射，为最终加载操作系统内核建立正确的环境。由于Bootloader的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数初始化引导程序分为两部分，第一部分主要包含依赖于CPU体系结构的硬件初始化代码，第二部分实现的功能比第一部分更多更复杂，它为内核程序准备运行的环境，将内核装入到指定位置，并转到内核处运行。本文设计的Bootloader也是由两部分构成，一部分称作BOOT的引导记录，另一部分是LOADER装入程序。BOOT的大小固定为512个字节，作为引导记录存放在软盘的0面0磁道1扇区，它所实现的功能是在软盘的目录区中寻找LOADER文件，并将LOADER装入到内存中，然后由 LOADER负责初始化工作环境并引导内核的运行。

软盘采用FAT文件系统，并对它进行格式化，使用工具将BOOT写到0面0磁道1扇区中，将LOADER和μC/OS-II应用系统程序复制到软盘中，然后用软盘启动系统，就能观察到μC/OS-II实时操作系统的运行情况，它完全脱离了DOS运行环境。同样，也可以通过Bochs、QEMU或 VMware等虚拟机做一个磁盘映像文件，用BOOT替换该映像文件的前512个字节，将LOADER和μC/OS-II应用系统复制到该映像文件中，然后就可以在虚拟机中完成系统的启动。这样，在每次修改程序后，不需要重新启动机器来验证系统的正确性，而只需要调整映像文件，在虚拟机中重启系统即可，使用虚拟机使内核的修改和调试变得十分容易。

2.1 BOOT的设计

当PC机加电后，首先进行自检，然后寻找启动盘，如果从软盘启动，计算机读取软盘的0面0磁道1扇区的内容，若该扇区最后两个字节是0x55、 0xaa，则其为引导扇区，计算机将其内容装入到内存地址0x7c00开始处，并转到该处运行。因BOOT只能占用一个扇区，其大小固定为512个字节，其实现的功能受到限制，所以BOOT的主要功能是在磁盘的目录区中寻找LOADER程序，并将其装入到内存中，最后将CPU的控制权交给LOADER，其后的任务就由LOADER完成。BOOT程序的算法描述如下：

(1) 在显示屏上显示“Booting...”提示信息，同时使软驱复位;

(2) 在磁盘的目录区中寻找LOADER文件;

(3) 若LOADER文件存在，则转(5);

(4) LOADER文件不存在，显示提示信息“Boot fail!”，关闭软驱马达，程序进入死循环;

(5) 将LOADER读到内存0x90000处;

(6) CPU转到0x90000处运行，即将CPU的控制权交给LOADER。

这段程序用汇编语言编写，它经过汇编连接后，使用工具软件，比如debug将其写到软盘的0面0道1扇区。

2.2 LOADER的设计

2.2.1 EXE文件格式

在DOS或Windows环境中，μC/OS-II使用BORLAND C++开发工具，因此，μC/OS-II应用系统的文件采用DOS的EXE格式，在装入μC/OS-II应用系统时，引导程序将按EXE文件格式的要求将内核加载到内存中。EXE文件由两部分组成：文件首部和程序主体。文件首部包含重定位信息和控制信息，它由编译器和连接程序自动生成;程序主体包含代码段、栈段、数据段等，它由EXE启动代码和程序员编的程序构成，它是程序实际运行部分。EXE文件首部内容如表1所示。

表1 EXE文件首部

2.2.2 LOADER程序的设计

LOADER程序实现的主要功能是负责将内核装入到内存指定位置。假定TEST.EXE为带μC/OS-II内核的应用程序的文件名，LOADER 装入程序将首先在磁盘中查找TEST.EXE文件，若找到，将其读入内存地址0x10000开始的空间中。LOADER根据EXE文件首部的重定位表对加载到内存中的程序进行地址重定位后，初始化运行环境，然后转到程序主体的入口处运行。LOADER程序算法描述如下：

(1) 软驱复位，然后在软盘目录表中查找文件TEST.EXE，若找到转(3);

(2) 在软盘中没有找到TEST.EXE文件，显示信息“Kernel file do not exist!”，关闭软驱马达，程序进入死循环;

(3) 将TEST.EXE程序读到内存0x10000h处;

(4) 根据重定位表对装入内存中的TEST.EXE相关内容进行调整;

(5) 初始化TEST.EXE的运行环境;

(6) 转TEST.EXE入口处，开始运行TEST.EXE;

(7) 结束。