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μC/OS-II是一種代碼公開(kāi)、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。該內核通過(guò)實(shí)現搶占式任務(wù)調度算法和多任務(wù)間通信等功能，使之具有執行效率高、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。另外，其占用空間非常�。ㄗ钚】刹眉糁�2KB）并且具有高度可移植性，因此被廣泛的應用于微處理器和微控制器上。 晶心科技 （Andes）作為亞洲首家原創(chuàng )性32位微處理器IP與系統芯片平臺設計公司，推出的AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S, 搭配應用廣泛的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II以及相關(guān)的軟硬件開(kāi)發(fā)資源，有效的幫助客戶(hù)降低現有成本、提升系統效能、減少系統功耗，并縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上市時(shí)程。本文將介紹如何將μC/OS-II移植到AndesCore™ N1033A-S處理器上。 1. 開(kāi)發(fā)環(huán)境及處理器介紹 1.1 軟/硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境 本移植過(guò)程使用的軟件環(huán)境是AndeSight? v1.4集成開(kāi)發(fā)套件，它是晶心科技最新推出的針對各種AndesCore?的軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括編譯器、調試器、分析器以及強大的ESL工具。硬件平臺采用晶心科技的FPGA評估板ADP-XC5,該評估板采用AndesCore? N1033A-S作為處理器內核，并具有豐富的片上資源。 AndesCore N1033A-S介紹 AndesCore™ N10系列產(chǎn)品N1033A-S是一款哈弗結構的32位RISC處理器內核，具有5級流水線(xiàn)（pipeline）及動(dòng)態(tài)分支預測（Dynamic branch predicTION）架構。N1033A-S新加入了最新AndeSTar™ V2 指令集，把CPU效能推至1.66DMIPS/Mhz之上。同時(shí)還實(shí)現完整的Audio指令集，達到完全整合CPU與DSP功能的目標。N1033A-S還支持向量中斷模式以及2D 直接內存訪(fǎng)問(wèn)（DMA）功能，更為實(shí)時(shí)信號處理添增效能。 2. μC/OS-II在N1033A-S上的可移植性分析 μC/OS-II具有高度可移植性，目前已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋從8位到64位的各種CPU（包括DSP）。 μC/OS-II的正常運行需要處理器平臺滿(mǎn)足以下要求： 1）處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；2）用C語(yǔ)言就可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷；3）處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷；4）處理器支持能夠容納一定量數據的硬件堆棧；5）處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆�；騼却嬷械闹噶�。 AndesCore N1033A-S內部提供了32個(gè)通用寄存器，其中R31被用來(lái)做專(zhuān)門(mén)的堆棧指針。32根地址線(xiàn)最多可訪(fǎng)問(wèn)4GB存儲單元，因此只要系統RAM空間允許，堆�？臻g理論不會(huì )產(chǎn)生限制。N1033A-S處理器提供的AndeStar? V2指令集包含了豐富且十分高效的對堆棧進(jìn)行操作的指令。例如指令SMW（store multiple word）可實(shí)現僅使用一條指令將多個(gè)寄存器的值存儲到堆棧中并同時(shí)更新堆棧指針位置，而且還能很好的處理地址非對齊字的存取。N1033A-S支持中斷并能產(chǎn)生定時(shí)器中斷，處理器中的PSW（Processor Status Word）寄存器中包含一個(gè)全局中斷禁止位GIE,控制它便可實(shí)現打開(kāi)和關(guān)閉中斷。此外，AndeSight?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中內置的編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，并且支持內聯(lián)匯編，C環(huán)境中可以任意進(jìn)行開(kāi)關(guān)中斷的操作。綜上所述，μC/OS-II完全可以移植到N1033A-S上運行。 3. 移植步驟 為了方便移植，大部分的μC/OS-II代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，用戶(hù)只需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼就可以實(shí)現移植。這部分工作的內容包括：一個(gè)完成基本設置的頭文件os_cpu.h、一個(gè)與處理器相關(guān)的匯編文件os_cpu_a.S和一個(gè)與操作系統相關(guān)的C代碼文件os_cpu_c.c. 3.1在os_cpu.h中完成基本的配置和定義 3.1.1. 定義與處理器相關(guān)的數據類(lèi)型 為保證可移植性，μC/OS-II沒(méi)有直接使用C語(yǔ)言中的short、int和long等數據類(lèi)型的定義，因為不同的處理器有不同的字長(cháng)。對于N1033A-S這樣的32位處理器，其數據類(lèi)型定義實(shí)現如下： 
3.1.2. 定義中斷禁止/允許宏 做為實(shí)時(shí)內核，μC/OS-II需要先禁止中斷再訪(fǎng)問(wèn)代碼臨界區，并且在訪(fǎng)問(wèn)完畢后重新允許中斷。μC/OS-II定義了兩個(gè)宏來(lái)禁止和允許中斷：OS_ENteR_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）。在N1033A-S處理器上的實(shí)現代碼如下
GIE_SAVE 和GIE_RESTORE的實(shí)現如下：
中斷禁止時(shí)間是判斷系統實(shí)時(shí)性的重要指標之一。中斷禁止時(shí)間能否達到最短，不僅與操作系統的設計有關(guān)，還依賴(lài)于處理器結構和編譯器產(chǎn)生的代碼質(zhì)量。從上面的實(shí)現代碼看到，由于A(yíng)ndes處理器提供了setgie.d和setgie.e兩條直接控制中斷的開(kāi)關(guān)的指令，整個(gè)禁止/允許中斷的過(guò)程經(jīng)過(guò)編譯器產(chǎn)生的機器碼只有3/2條，最大限度地減小了中斷禁止時(shí)間。 3.1.3. 定義棧增長(cháng)方向 μC/OS-II使用結構常量OS_STK_GROWTH來(lái)指定堆棧的增長(cháng)方式，設置為0表示堆棧從下往上增長(cháng)，設置為1表示從上往下增長(cháng)。這里我們定義成后者，即堆棧的增長(cháng)方向是從內存高地址向低地址方向遞減并且堆棧指針總是指向棧頂數據：
3.1.4.定義OS_TASK_SW（）宏 OS_TASK_SW（）是一個(gè)宏，它在μC/OS-Ⅱ從低優(yōu)先級任務(wù)切換到最高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)被調用的。任務(wù)切換只是簡(jiǎn)單的將處理器寄存器保存到將被掛起的任務(wù)的堆棧中，并且將更高優(yōu)先級的任務(wù)從堆棧中恢復出來(lái)�？刹捎脙煞N方式定義這個(gè)宏，使用軟中斷將中斷向量指向OSCtxSW（）函數；或者直接調用OSCtxSW（）函數，這里我們采用后者（OSCtxSW（）函數的實(shí)現將在后面介紹）：
3.2 處理器相關(guān)部分匯編實(shí)現 μC/OS-Ⅱ的移植需要用戶(hù)編寫(xiě)三個(gè)最基本的匯編語(yǔ)言函數：OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（）。它們會(huì )共用一些代碼，為了方便閱讀將它們寫(xiě)在同一個(gè)匯編文件os_cpu_a.S中。 3.2.1 OSStartHighRdy（）：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。 OSStartHighRdy（）函數是在OSStart（）多任務(wù)啟動(dòng)之后，負責從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針SP,并通過(guò)SP恢復CPU現場(chǎng)以啟動(dòng)最高優(yōu)先級的任務(wù)執行。另外OSStartHighRdy（）還必須在最高優(yōu)先級任務(wù)恢復之前和調用OSTaskSwHook（）之后設置OSRunning為T(mén)RUE.其實(shí)現代碼如下：
3.2.2 OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（） OSCtxSw（）是任務(wù)優(yōu)先級切換函數，它的作用是先將當前任務(wù)的CPU現場(chǎng)保存到該任務(wù)的堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針，并從該堆棧中恢復此任務(wù)的CPU現場(chǎng)，使之繼續執行，該函數就完成了一次任務(wù)切換。 OSIntCtxSw（）是中斷級的任務(wù)切換函數。由于中斷可能會(huì )使更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，因此為了讓更高優(yōu)先級的任務(wù)能立即運行，在中斷服務(wù)子程序最后會(huì )調用OSIntCtxSw（）做任務(wù)切換。這樣做能夠盡快的讓高優(yōu)先級的任務(wù)得到相應的處理，保證系統的實(shí)時(shí)性能。 OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）都是用于任務(wù)切換的函數，其區別在于，在OSIntCtxSw（）中無(wú)需再保存處理器寄存器，因為在OSIntCtxSw（）之前已發(fā)生中斷，所以可以保證所有的處理器寄存器都被正確地保存到了被中斷的任務(wù)的堆棧之中。OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）實(shí)現代碼如下：
N1033A-S處理器定義了四級（0-3）中斷，在各級中斷的轉換時(shí)需要保存當前中斷層級的寄存器。調用OSCtxSw（）時(shí)，中斷將由0級（即沒(méi)有中斷）轉到1級，所以需要將第0級的寄存器PSW和PC保存到第1級的寄存器IPSW和IPC中。CtxSave和CtxRestore兩個(gè)宏用來(lái)保存和恢復任務(wù)上下文。需要保存或恢復的寄存器包括32個(gè)通用寄存器（R0-R31）的值、程序計數器（PC）的值以及處理器狀態(tài)字寄存器（PSW）的值。宏IntlSwitch n通過(guò)修改PSW.INIT的值來(lái)切換中斷層級。CtxSave和IntlSwitch的匯編實(shí)現如下（由于CtxRestore與CtxSave過(guò)程類(lèi)似，這里不做贅述）：
3.3 移植C語(yǔ)言編寫(xiě)的幾個(gè)與操作系統相關(guān)的函數 μC/OS-Ⅱ有六個(gè)與CPU相關(guān)的函數：OSTaskStkInit（）、OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeTickHook（），它們被定義在ucos_ii.h中。其中唯一必須移植的函數是任務(wù)堆棧初始化函數OSTaskStkInit（），其它五個(gè)函數必須得聲明但沒(méi)必要包含代碼。因此這里我們只介紹OSTaskStkInit（），其代碼的實(shí)現如下：
OSTaskStkInit（）在任務(wù)創(chuàng )建時(shí)被調用，負責初始化任務(wù)的堆棧結構并返回新堆棧的指針，使得堆�？雌饋�(lái)就像剛發(fā)生過(guò)中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。除了要保存任務(wù)的地址、變量的指針以及處理器狀態(tài)字的值外，Andes N1033A-S處理器還要求用戶(hù)保存所有32個(gè)通用寄存器（R0-R31）、四個(gè)用戶(hù)寄存器（d0.hi, d0.lo, d1.hi, d1.lo）。還有一點(diǎn)需要注意，在N1033A-S處理器中，堆棧指針的地址必須滿(mǎn)足8Byte對齊，程序最后一段邏輯即將堆棧指針調整到正確的位置，這一點(diǎn)在編寫(xiě)其他代碼例如在宏CtxSave中同樣需要注意。 4. 結語(yǔ) 基于A(yíng)ndesStar?架構的優(yōu)勢，可以很容易的實(shí)現μC/OS-Ⅱ在N1033A-S處理器上的移植。不僅μC/OS-Ⅱ，其它嵌入式操作系統也可以很方便地移植到AndesCore?相應的處理器上，例如Nuclues、FreeRTOS以及Contiki。 晶心科技利用 AndesCore? N1033A-S高效能的 Audio ISA 和 FPGA開(kāi)發(fā)平臺彈性的設計架構，基于各種RTOS,為客戶(hù)提供了的豐富的軟件資源（中間件、優(yōu)化的函數庫、應用實(shí)例等）以及完整的多媒體語(yǔ)音解決方案，從而幫助客戶(hù)更快地在A(yíng)ndes平臺上進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 |
