基于ARM微处理器的uC/OS

 本文介绍了基于ARM微处理器的μC/OS-II的移植，并对其进行扩展，主要包括内核、lwip、μC/GUI的移植。

概述

嵌入式操作系统μC/OS-II是一个公开源代码的占先式多任务的微内核RTOS，其特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化。内核属于抢占式，最多可以管理60个任务。目前国内对μC/OS-II的研究和应用都很多。只要买一本书就可获得源代码，对学校和教育的使用完全免费，商业应用的费用相对也很低。所以对μC/OS-II实时操作系统的学习研究、开发、应用具有重要意义。

大部分的μC/OS-II代码是使用ANSI C语言书写的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和汇编语言写一些处理器相关代码。μC/OS-II的移植需要满足以下要求：

(1)处理器的C编译器可以产生可重入代码;

(2)可以使用C调用进入和退出临界区代码;

(3)处理器必须支持硬件中断，并且需要一个定时中断源;

(4)处理器需要能够容纳一定数据的硬件堆栈;

(5)处理器需要有能够在CPU寄存器与内核和堆栈交换数据的指令。

基于ARM7的S3C44B0X处理器完全满足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC结构，内核是ARM7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存储器控制器、LCD控制器、4个DMA通道、2个UART、1个多主I2C总线控制器、1个I2C总线控制器，以及5通道PWM定时器和1个内部定时器、8通道12位ADC等，能够与常用的外围设备实现无缝连接，功能强大。目前，国内应用较为广泛。

1内核的移植

μC/OS-II的移植只需要修改与处理器相关的代码就可以了。具体有如下内容：

(1)os_cpu.h中需要设置一个常量来标识堆栈增长方向;

(2)os_cpu.h中需要声明几个用于开关中断和任务切换的宏;

(3)os_cpu.h中需要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型;

(4)os_cpu_a.asm需要改写4个汇编语言的函数;

(5)os_cpu_c.c需要用c语言编写6个简单函数;

(6)修改主头文件include.h，将上面的三个文件和其他自己的头文件加入。

完成上述工作后，μC/OS-II就可以运行在ARM处理器上了。

2 LwIP的移植

μC/OS-II本身没有TCP/IP协议栈，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商业化的，很少给出源代码，影响了μC/OS-II的研究和推广。通过把开放源代码的TCP/IP协议栈LwIP移植到μC/OS-II上来，就获得了一套可免费研究、学习的嵌入式网络软件平台。

2.1 Lwip的操作系统封装层(operating system.emulation layer)

Lwip为了适应不同的操作系统,在代码中没有使用和某一个操作系统相关的系统调用和数据结构。而是在lwip和操作系统之间增加了一个操作系统封装层。操作系统封装层为操作系统服务(定时,进程同步,消息传递)提供了一个统一的接口。在lwip中进程同步使用semaphone和消息传递采用”mbox”。操作系统封装层的原代码在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具体的操作系统相关的代码在../lwip/src/arch/sys_arch.c中。

操作系统封装层的主要函数如下:

void sys_init(void)//系统初始化

sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//创建一个新进程

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//创建一个邮箱

void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//释放并删除一个邮箱

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //发送一个消息到邮箱

void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待邮箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//创建一个信号量

void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//释放并删除一个信号量

void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//发送一个信号量

void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一个信号量

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//设置一个超时事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//删除一个超时事件

…

关于操作系统封装层的信息可以阅读lwip的doc目录下面的sys_arch.txt.文件。

2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.

2.2.1 系统初始化sys_int()

sys_int必须在tcpip协议栈任务tcpip_thread创建前被调用。

2.2.2 创建一个和tcp/ip相关新进程sys_thread_new()

lwip中的进程就是μC/OS-II中的任务,注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相关任务的堆栈大小,可以根据情况自己设置，我设置成10*1024，因为44b0X开发板上有8M的sdram;而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相关的任务最多数目;LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相关任务的起始优先级,tcpip_thread在所有tcp/ip相关进程中应该是优先级最高的;另外tcpip_thread应该是最先创建的。

2.2.3 Lwip中的定时事件

在tcp/ip协议中很多时候都要用到定时,定时的实现也是tcp/ip协议栈中一个重要的部分。 LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的timeout属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程都对应一个sys_timeout结构体队列，包括这个线程的timeout时间长度，以及超时后应调用的timeout函数，该函数会做一些释放连接，回收资源的工作。如果一个线程对应的sys_timeout为空(NULL)，说明该线程对连接做永久的等待。timeout结构体已经由LwIP自己在sys.h中定义好了，而且对结构体队列的数据操作也由LwIP负责，我们所要实现的是如下函数：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

这个函数的功能是返回目前正处于运行态的线程所对应的timeout队列指针。timeout队列属于线程的属性，因此是OS相关的函数，只能由用户实现。

2.2.4 “mbox”的实现:

LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要在sys_arch中实现消息队列结构sys_mbox_t，以及相应的操作函数：

sys_mbox_new() //创建一个消息队列

sys_mbox_free() //释放一个消息队列[!--empirenews.page--]

sys_mbox_post() //向消息队列发送消息

sys_arch_mbox_fetch() //从消息队列中获取消息

μC/OS-II同样实现了消息队列结构OSQ及其操作，但是μC/OS-II没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在μC/OS-II的基础上重新实现。为了实现对消息的管理，我们定义了以下结构：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上结构中，包括OS_EVENT类型的队列指针(pQ)和队列内的消息(pvQEntries)两部分，对队列本身的管理利用μC/OS-II自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS-II中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除回收，两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。

2.2.5 semaphone的实现和mbox类似,这里就不再重复了。

3 uc/gui的移植

3.1 LCD的接口函数

在uC/GUI中LCD_LO_x之类的函数是无控制器LCD的接口函数。44B0X本身有LCD控制器。所以我在uC/GUI for 44B0X移植中基本移用LCDMemC.c这个程序。在这程序中都是关于LCD接口的驱动。其中在44B0X上主要修改以下几个函数：

(1)LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);

这个函数完成对44B0X LCD控制器的配置。显存的映射。

(2)画点函数：void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);

取点函数：unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);

uC/GUI中显示字、图形都这两个函数有关。

3.2 系统接口函数

在uCOS-II中用GUI的，所以还要写几个操作系统接口函数。而GUI_X_x之类的函数是和操作系统相关的接口。

(1)系统时间接口

取系统时间： int GUI_X_GetTime (void);

延时函数： void GUI_X_Delay (int ms);

(2)任务调度函数

任务初始化：void GUI_X_InitOS (void);

任务锁定：void GUI_X_Lock (void);

任务解锁：void GUI_X_Unlock (void);

4 结束语

上述移植完成后，使在ARM微处理器上建立一个既有TCP/IP协议栈，又建立了图形用户接口的嵌入式实时操作系统。