实时嵌入式操作系统μC/OS－II在MPC555上的移植

μc/OS-II是一种占先式、多任务、移植性非常强的免费微控制器嵌入式实时操作系统,从1992年出现以来,已在照相机、发动机控制和工业机器人等多种领域中得到应用。它一方面相对GNU下Linux衍生出来的EOS更小巧且移植方便,实时性更好,更适合工业控制领域应用;另一方面由于是免费的,比使用VxWorks等商业实时EOS大大节省成本,非常适用于开发实用简约的嵌入式控制程序。

摩托罗拉的MPC555是建立在PowerPC体系结构上,采用RISC技术的一款高档、适用于精密控制的微控制器、其芯片内嵌增加了浮点单元的32位RCPU核心、26KB静态RAM、448KB片内Flash、一个QSMCM(串行通讯模块)、两个TouCAN模块、两个TPU、一个MIOS(模块化I/O系统)、两个QADC模块,工作频率达40MHz。另外芯片体积小,仅为2.5cm×2.5cm×0.5cm。所有这些特性使其特别适用于汽车等现场控制领域的嵌入式微控制系统?
将μC/OS-II移植于MPC555上既有益于MPC和μC/OS-II在车用控制器上的应用,其成果也可以用于其他嵌入式工业控制领域。本次移植中,使用CodeWarrior for PPC 6.5编译调试环境。

1 移植原理

μC/OS-II包括中断管理、任务管理、时间管理、任务之间通信管理和内存管理五方面功能、其结构共分三层,如图1。I层为与处理器相关的代码,在μC/OS-II的Intel 80x86版本上为OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM三个文件。该层完成系统时钟的设置、出入中断的管理和任务切换功能,为第II层提供接口。II层包括时间管理、任务调度管理、任务间的通信管理和内存管理四部分,是OS的主体部分,全部由ANSI C代码写成,与处理器无关,它为用户应用程序提供接口。III层是用户应用程序部分,μC/OS-II有中断和任务两个处理级别,用户可以建立自己的任务,编写必要的中断子程,在任务之间或任务与中断子程之间建立信号量、邮箱或消息队列完成控制器软件的编写。根据以上结构特点,在移植过程中,只需将I层代码针对MPC555的编程结构做相应改动,使其完成系统时钟设置、中断管理和任务切换功能即可。

在前后台系统中,提供一个CPU堆栈?发生中断时,将当前使用到的寄存器压入堆栈,保存现场,执行中断程序;中断程序完成后,从CPU堆栈中弹出寄存器的值,恢复现场。

在多任务系统μC/OS-II中不是这样。OS创建时,为每个任务建立并初始化一个堆栈。当发生中断或任务切换时,把当前任务运行现场保存起来,即将所有寄存器保存到该“旧”任务的堆栈中。当某个任务需要从就绪状态激活到运行状态时,OS又需将所有寄存器从该“新”任务的堆栈中弹出。这样,每个任务分时占用CPU。而对各任务来说,每次进入运行态时,CPU状态都与上次从运行态退出时完全一样。所以不再是使用一个CPU堆栈,而是多个任务将各自的运行现场保存到自己的堆栈中。

另外,调用C函数时也会使用到堆栈,此时编译器会创建一个堆栈;在C函数返回时,将其释放、其大小因C函数使用到的变量和编译器的不同而不同、在移植时,能够正确创建、初始化、保存并恢复各个任务的堆栈,是确保OS任务切换和中断管理顺利完成的关键。

MPC555有32个32bit通用定点数寄存器,32个64bit浮点数寄存器,另有9个控制/状态寄存器。针对MPC555的编程结构,设计如表1的堆栈结构。每次任务环境入栈时创建一含73个位置的堆栈,为了保证浮点数寄存器的完整,每个位置为64bit宽。创建任务时,建立该堆栈结构,并用默认值对其进行初始化。在任务保存或激活时把寄存器的值保存到堆栈中相应位置,或者从堆栈的相应位置把寄存器值弹出。其中GPR1被MPC作为堆栈指针SP使用,在堆栈操作时,要注意控制好SP。

2 中断管理

首先,分析一下MPC555的中断结构。在MPC中有新的概念——异常(Exception)。它包含所有CPU非正常事件的出现,包括中断、总线错误、指令错误、系统调用异常、实时中断异常和复位等。MPC为异常提供了异常向量表。该表为每个异常提供一个256字节的异常处理代码空间。

所有外部中断和I/O子模块产生的中断共同作为异常的一种,占用异常向量表中的一个位置。在该异常处理程序中,软件需根据中断状态寄存器的值判断到底发生了哪个中断并进行相应处理。

在每次发生异常时,MPC自动将主状态寄存器MSR保存到SRR1中,将程序指针PC保存到SRR0中;然后PC指针指向该异常在异常向量表中的起始位置,进入异常处理程序。每次异常返回时,调用rfi指令,系统自动将SRR1中的值返回MSR中,将SRR0中的值返回PC中,即程序从SRR0指向的位置继续执行。在发生异常和异常返回之间,不自动允许新的异常和中断。所以,程序需要在保存SRR0和SRR1后允许异常,在适当的时候允许中断。

μC/OS-II的异常处理过程中,用户及OS与硬件无关的代码完成图2中①、②、③、④、⑤这五个步骤。依次完成以下任务:①给OSIntNesting加1或调用OSIntEnter(),通知OS,系统已进入中断;②分析中断源调用相应中断处理子程;③在该中断处理子程中完成清中断源;④进行其他中断处理;⑤调用OSIntExit( )判断是否有更高优先级的任务被激活而需要进行任务调度,若不需要,则直接从中断返回;若需要,则调用OSIntCtxSw()完成中断级任务调度。

移植中,为了在MPC555上实现上述中断处理过程,需编写与硬件相关代码,为以上思路提供三个接口函数:进入中断、退出中断和中断级任务调度。根据MPC555的编程结构,设计的完整中断程序流程如图2。虚框Ⅰ部分写在异常向量表中每个异常的处理代码空间中,依次调用Prologue( )、Exception-Routine( )和Epilogue( )三个函数。

其中,Exception-Routine( )函数为①到⑤步中断处理子程提供调用接口。

虚框Ⅱ中为与硬件相关的函数Prologue( ),它将发生中断时所有寄存器保存到当前任务的堆栈中,并处理CPU状态。是OS进入中断的接口函数。

虚框Ⅲ中为与硬件相关的函数Epilogue( ),它从当前任务(可能是中断发生时的任务,也可能是新的被激活的任务)堆栈中恢复所有CPU寄存器,并从中断返回,是OS退出中断的接口函数。

虚框Ⅳ中为与硬件和编译器相关的函数OSIntCtxSw( )。它将新的高优先级就绪态任务调整为当前任务,完成中断级任务调度,随后调用Epilogue( )退出中断,进入新的被激活的任务。应注意,在中断级任务调度过程中,①、⑤两处C函数被调用后不需要返回,所以需要将堆栈指针SP向下做适当调整,以丢弃这两个函数调用时编译器产生的堆栈、C函数调用时,产生堆栈的大小与编译器相关,因此应根据编译器产生的代码决定此处丢弃堆栈的大小。为保证异常时需要丢弃的堆栈大小不变,可使用图2中的方法,在异常处理时另外调用函数完成步骤③、④,以确保不同异常处理过程中,①、⑤两处C函数被调用时,编译器建立的堆栈大小一致。

3 任务切换

μC/OS-II中的任务调度由函数OSSched( )完成。在Intel 80x86系统上,OSSched( )在获得当前新的最高优先级的任务指针后,调用CPU软中断完成任务切换。

在MPC555上,可以用系统调用异常处理程序“System Call Exception”代替软中断。该异常处理程序如图3所示,完成以下三个步骤:①在prologue( )中将当前任务运行环境保存到当前任务的堆栈中;②调用任务级调度函数OSCtxSw( ),将新的高优先级就绪态任务调整为当前任务;③从新任务堆栈中弹出所有寄存器的值,恢复中断,完成任务切换。其中①、③两部分代码与中断管理程序相同,不需要重新编写,只需编写函数OSCtxSw( )完成任务指针的切换工作。

任务切换过程不可以被打断,所以,上述过程中始终不能打开中断。

4 时钟管理

μC/OS-II需要在系统初始化后,开始一个系统时钟节拍,它是OS系统的时间基准。该时钟节拍一般由时间中断产生。 MPC555中可产生时间节拍的模块有很多,本次移植选用DEC异常。因为它与外部中断使用不同的异常向量,便于对异常事件的管理,有利于提高OS的稳定性。

DEC时钟同步于TMBCLK,其频率可选,本次移植设置为2.5MHz。代码在时钟初始化和每次进入DEC异常时,将DEC计数器设置为2.5M/OS_TICKS_PER_SEC,这样,可使OS每秒种产生OS_TICKS_PER_SEC个时钟节拍。

5 应用方法

在使用移植后的OS时,用户需要编写自己的主程序main( ),其流程如图4。在适当的初始化后即可启动OS。

另外,用户需在TaskStart任务中启动时钟节拍,调用OSStatInit( )函数初始化统计任务,创建所需的其他任务,最后调用OSTaskDel( )函数删除TaskStart任务自己。OS在该函数调用结束后,会自动允许异常和中断,OS正常运转,不断调度任务,响应中断。