介绍了实时操作系统μC/OS-II的特点和内核结构,并实现了μC/OS-II在Philips嵌入式处理器LPC2114上的移植

廖文良

褚艺斌

陈文芗

Xiamen University Institutional Repository

《微型机与应用》2005 年第 8 期图 1 μC/OS- Ⅱ的 软 硬 件 体 系 结 构作 为 一 个 实 时 内 核 , !C/OS 从 1992 年 开 始 为 人 们 熟悉 , 到现在已经发展为 !C/OS- II。!C/OS- II 最 多 支 持 56个 任 务 , 其 内 核 为 占 先 式 , 即 总 是 执 行 就 绪 态 的 优 先 级 最高的任务 , 并支 持 Semaphore(信 号 量)、Mailbox(邮 箱)、Mes-sage Queue(消息队列)等多种常用的进程间通信机制。与大多 数 商 用 RTOS 不 同 的 是 , !C/OS- II 公 开 其 全 部 源 代 码 ,并可以免费获得 , 对商业应用只收取少量的 License 费用。LPC2114 是 Philips 公 司 开 发 的 一 款 支 持 实 时 仿 真 和跟踪的 ARM7TDMI- S CPU, 并 嵌 入 了 128KB 的 高 速 Flash存储器。其内部集成了与片内存储器控制器接口的 ARM7局部总线、与中断控 制 器 接 口 的 AMBA 高 性 能 总 线 ( AHB)和 连 接 片 内 外 设 功 能 的 VLSI 外 设 总 线 ( VPB, ARM AMBA总线的兼容超集 ) 。LPC2114 将 ARM7TDMI- S 配置为小端(little- endian)字节 顺 序 。128 位 宽 度 的 存 储 器 接 口 和 独 特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟频率下运行。将 !C/OS- II 移 植 在 LPC2119 上 不 仅 有 益 于 ARM 和!C/OS- II 在车用控制器上的应用 , 其成果还 可 以 用 于 其 他嵌入式工业控制领域。本次移植中 , 使用 CodeWarrior ForARM Developer Suite v1.2 编译调试环境。1 !C/OS- II 系统结构图 1 为!C/OS- II 的软硬件体系结构。应用程序处于整个系统的顶层 , 每个任务都可以认为自己独占了 CPU, 因而可以设计成为一个无限循环。!C/OS- II 处理器无关的代码提供了!C/OS- II 的系统服务 , 应用程序可以使用这些 API函数进行内存管理、任务间通信以及创建、删除任务等。大 部 分 !C/OS- II 代 码 是 使 用 ANSI C 语 言 编 写 的 , 因此 !C/OS- II 的可移植性较好。尽管如此 , 仍然需要使用 C和汇编语言写一些处理器相关的代码。!C/OS- II 的移植需要满足下列要求 : (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 Critical Code(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 寄存器与内存和堆栈交换数据的指令。移 植 !C/OS- II 的 主 要 工 作 涉 及 处 理 器 及 编 译 器 相 关代码以及 BSP 的编写。2 !C/OS- II BSP 的编写BSP(板 级 支 持 包 )是 介 于 底 层 硬 件 和 操 作 系 统 之 间 的软件层次 , 它完成系统上电后最初的硬件和软件初始化 , 并对底层硬件进行封装 , 使得操作系统不再面对具体的硬件。为 !C/OS- II 编写一个简单的 BSP 的方法是 : 首先设置CPU 内部寄存器和系统堆栈 , 并初始化堆栈指针 , 建立程序的运行和调用环境 ; 然后使用 C 语言设置 LPC2114 向量中断控制器、GPIO 以及 SRAM 控制器 , 初始化串口(UART0)作为默认打印口 , 并向操作系统提供一些硬件相关例程和函数(如 dprintf( )), 以方便调试 ; 在 CPU、板级和程序自身初始化完成后 , 就可以把 CPU 的控制权交给操作系统了。LPC2114 处 理 器 支 持 七 种 类 型 的 异 常 。 异 常 出 现 后 ,CPU 强 制 从 异 常 类 型 对 应 的 固 定 存 储 地 址 开 始 执 行 程 序 ,因此需要在程序头建立起异常向量表 , 例如 :VectorsLDR PC, ResetAddrLDR PC, UndefinedAddrLDR PC, SWI_AddrLDR PC, PrefetchAddr实时操作系统 !C/OS- II  在 LPC2114上的移植廖文良 , 褚艺斌 , 陈文芗(厦门大学 机电工程系 , 福建 厦门 361005)摘 要 : 介绍了实时操作系统 !C/ O S- II 的特点和内核结构 , 并实现了 !C/ O S- II 在 Philips 嵌入式处理器 LPC2114 上的移植。关键词 : !C/ O S- II LPC2114 移植嵌入式技术— 59 —《微型机与应用》2005 年第 8 期图 2 OSIntCtxSw 的软件流程图LDR PC, DataAbortAddrDCD 0xb9205f80LDR PC, [PC, #- 0xff0]LDR PC, FIQ_AddrResetAddr DCD ResetUndefinedAddr DCD UndefinedSWI_Addr DCD SoftwareInterruptPrefetvhAddr DCD PrefetchAbortDataAbortAddr DCD DataAbortNoUse DCD 0IRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_Handler向 量 从 上 到 下 依 次 为 复 位 、未 定 义 指 令 异 常 、软 件 中断、预取指令中止、预取数据中止、保留的异常、IRQ 和 FIQ。保 留 的 异 常 向 量 位 置 所 填 的 数 据 0xb9205f80 是 为 了 使 向量表中所有的数据 32 位累加和为 0。这 个 向 量 在 ARM 文件中标识为保留 , 该位置被 Boot 装载程序用作有 效 的 用 户程序关键字。当向量表中所有的数据累加为 0( 且外部硬件禁止进入 ISP 程序 ) 时 , Boot 装载程序将执行用户程序。从 异 常 向 量 表 可 知 : 芯 片 复 位 时 程 序 会 跳 转 到 标 号Reset 处。程序首先调用 InitStack 初始化各种模式的堆栈 ,然后调用 TargetResetInit 对系统进行基本的 初 始 化 , 最 后跳转到 ADS 提供的启动代码 __main。例如 :ResetBL InitStackBL TargetResetInitB __main同时 在 每 个 硬 件 时 钟 到 来 后 , !C/OS- II 会 在 中 断 服 务例 程 中 调 用 OSIntCtxSw( )进 行 任 务 调 度 。 另 外 , 当 某 个 任务因等待资源而 被 挂 起 时 , 它可 以 自 己 主 动 放 弃 CPU, 而没 有 必 要 等 到 自 己 的 时 间 片全都用完。这可以通过调用一个 任 务 级 的 任 务 调 度 函 数OSCtxSw( )来 实 现 , 其 中 相 对复杂 的 是 OSIntCtxSw( )。由 于OSLickISR( )调用了 OSIntEx-it( ), OSIntExit ( ) 又 再 次 调 用了 OSIntCtxSw( ), 如 果 进 行 任务切换 , 则二次调 用 都 不 会 返回 , 而 不 同 的 C 编 译 器 、不 同的 编 译 选 项 处 理 C 调 用 时 对堆栈的使用也不尽相同。因此OSIntCtxSw( ) 是 与 编 译 器 相关 的 。 在 ADS 编 译 环 境 下 ,OSIntCtxSw 的 软 件 流 程 如 图2 所示。3 !C/OS- II 任 务 堆 栈 初始化!C/OS- II 中 每 个 任 务 都有 自 己 的 任 务 堆 栈 。 在 任 务创 建 初 期 由 OSTaskStkInit ( )初 始 化 。 初 始 化 堆 栈 的 目 的就 是 模 拟 一 次 中 断 。 任 务 堆栈 中 保 存 了 任 务 代 码 的 起 始地址和一些 CPU 寄存器(初值是 无 关 紧 要 的 ), 这 样 一 旦 条件满足 , 就可以 执 行 任 务 了 。LPC2114 在中断发生时 , 会自动保 存 程 序 指 针 PC、状 态 寄存 器 SR 以 及 其 他 一 些 信 息 。图 3 为 针 对 LPC2114 编 程 结构设计的堆栈结构。本 次 移 植 的 函 数 OS-TaskStkInt( )代码为 :OS_STK!OSTaskStkInit(void(!task)(void!pd), void!pdata,OS_STK!ptos, INT16U opt){OS_Stk!stk;opt=opt; /!opt 没 有 使 用 。 作 用 是 避 免 编 译 器 警 告!/stk=ptos; /!获 取 堆 栈 指 针!//!建 立 任 务 环 境 , ADS1.2 使 用 满 递 减 堆 栈!/! stk=(OS_STK)task; /!pc!/! - - stk=(OS_STK)task; /! lr!/!- - stk=0; /!r12!/!- - stk=0; /!r11!/!- - stk=0; /!r10!/!- - stk=0; /!r9!/!- - stk=0; /!r8!/!- - stk=0; /!r7!/!- - stk=0; /!r6!/!- - stk=0; /!r5!/!- - stk=0; /!r4!/!- - stk=0; /!r3!/!- - stk=0; /!r2!/!- - stk=0; /!r1!/!- - stk=(unsigned int)pdata; /!r0, 第一个参数使用 R0 递推!/!- - stk=( USER_USING_MODE|0x00) ;/!spsr, 允 许 IRQ、FIQ 中 断!/!- - stk=0; /!关 中 断 计 数 器 OsEnterSum!/return(stk);}4 !C/OS- II 系统时钟管理!C/OS- II 需 要 在 系 统 初 始 化 时 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图 3 任 务 堆 栈 结 构嵌入式技术— 60 —《微型机与应用》2005 年第 8 期综合评价0.130.010.010.02序号1234结 果11010000000110100000111100100000111001000001路 径AEHAECGHACEHACGH瓶颈带宽/bps2242时延/!s2756平均成功率/%80808383平均成本3.52.82.32.3平均时延抖动/!s543.63.6表 2 仿真结果图 4 网 络 拓 扑 模 型( 上 接 第 31 页 )的 染 色 体 作 为 解 输 出 , 若 多 个 染 色 体 的 综 合 评 价 值相等 , 则选择 w/xi, 0 值最小的染色体。算法结束。3 算法性能分析网络拓扑模型如图 4 所示。应用本算法对其进行仿真实验。假设源节点为 A, 目的节点为 H, 链路特 性 用 五 元 组 (x1, x2, x3, x4, x5)描 述 , 分 别 表 示 带 宽 、时延、成功率(=1- 丢包率)、成本和时延抖动。QoS 路由要求为 : 所 需 带 宽 b=2bps, 最 大 时 延 d=8!s, 时 延 抖 动 j≤10!s,成 功 率 ≥80%, 成 本 ≤10, 综 合 评 价 值 ≤1。 编 码 长 度 为 9位 , 群 体 大 小 为 100, 交 叉 概 率 为 0.5, 采 用 自 适 应 变 异 概率 , 由式 ( 1) 得出 , 初始群体随机产生。仿真结果如表 2 所示。由表 2 可以看出 , 第 2、3 个 解的 综 合 评 价 值 最 小 , 符 合 QoS 要 求 且 达 到 负 载 分 布 均 衡 ,但 第 3 个 解 的 w/xi, 0 值 最 小 , 所 以 第 3 个 解 ( 路 径 A- C- E-H) 为最优解。4 结 论本 文 在 单 点 投 递 的 情 况 下 , 利 用 改 进 的 遗 传 算 法 求 解具有多个 QoS 约束的路由选择问题。该算法主要有以下特点 : ( 1) 采 用 预 处 理 机 制 , 有 效 地 减 少 了 算 法 编 码 空 间 和 搜索 空 间 , 提 高 了 算 法 的 搜 索 效 率 。 ( 2) 特 殊 的 树 结 构 编 码 ,使 染 色 体 长 度 达 到 固 定 , 简 化 了 编 码 操 作 , 省 略 了 复 杂 的编码和解码过程。( 3) 通过对交叉操作和变异操作的改进 ,使算 法 迅 速 跳 出 局 部 最 优 解 , 使 算 法 向 全 局 最 优 的 方 向 发展 , 同 时 加 快 了 算 法 收 敛 的 速 度 。 ( 4) 采 用 的 综 合 评 价 指标 , 能满足多个 QoS 要求且负载分布均衡。参考文献1 Wang Z, Crow C J.Quality- of- service for Routing SupportingMultimedia Applications.IEEE Journal of Selected Areasin Communications, 1996; 14(7)2 欧 阳 森 , 宋 政 湘 , 王 建 华 等 .一 种 快 速 收 敛 的 遗 传 算 法 .计 算机 应 用 研 究 , 2003; 20(9)3 栋 朝 雅 晴 , 高 井 昌 彰 , 佐 藤 羲 治 .一 种 适 应 负 载 分 布 均 衡 的路 由 遗 传 算 法 .信 息 处 理 学 会 论 文 志 , 1998; 39(2)4 Xian G F, Zhou J, Jie Y W.QoS Routing Based on GeneticAlgorithm.Computer Communications, 1999; 22(15)5 Ravikumar C P, Bajpai R.Source- based Delay- boundedMulti- casting in Multimedia Networks.Computer Commu-nications, 1998; 21(2)6 何 小 燕 , 费 翔 , 罗 军 舟 等 .Internet 中 一 种 基 于 遗 传 算 法 的QoS 路 由 选 择 策 略 .计 算 机 学 报 , 2000; 23(11)( 收 稿 日 期 : 2005- 02- 15)产生 。LPC2114 中 可 产 生 时 钟 节 拍 的 模 块 很 多 , 本 次 移 植采用定时器 0 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 。32位 定 时 器 TC 的 计 数 频 率 由 plck 经 过 PR 分 频 控 制 得 到 ,而定时器的启动/停止、计数复位由 TCR 控制。当有捕获事件 或 比 较 匹 配 事 件 发 生 时 , IR 会 设 置 相 关 的 中 断 标 志 , 若已打开中断允许 , 则会产生中断。本次移植设置系统时钟频率为 11.0592MHz, 代码在时钟初 始 化 和 每 次 进 入 定 时 器 0 异 常 时 , 将 定 时 器 0 的 计 数器 PWMTC 设 置 为 11.0592M/OS_TICKS_PER_SEC, 这 样可使 OS 每秒钟产生 OS_TICKS_PER_SEC 的时钟节拍。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( ), 其流程图如图 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OS_StartInit( )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。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。参考文献1 LABROSSE J J.!C/OS- II: theReal Time Kernel.RS: R&DBooks, 19992 周 立 功 .ARM 微 控 制 器 基 础 与 实战 .北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 20033 Labrosse J 著 , 邵 贝 贝 译 .嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 !C/OS- II( 第 二 版 ) .北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2003( 收 稿 日 期 : 2005- 02- 20)图 4 主 程 序 流 程 图##########################################嵌入式技术— 61 —

实时操作系统μC/OS-II在LPC2114上的移植

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/7740/%e5%ae%9e%e6%97%b6%e6%93%8d%e4%bd%9c%e7%b3%bb%e7%bb%9f%ce%bcCOS_II%e5%9c%a8LPC2114%e4%b8%8a%e7%9a%84%e7%a7%bb%e6%a4%8d.pdf?sequence=1&isAllowed=y

实时操作系统μC/OS-II在LPC2114上的移植

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