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ARM微處理器的uC/OS的移植設計
概述
嵌入式操作係統μC/OS-II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內核RTOS，其特點可以概括為以下幾個方麵：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內核屬於搶占式，最多可以管理60個任務。目前國內對μC/OS-II的研究和應用都很多。隻要買一本書就可獲得源代碼，對學校和教育的使用完全免費，商業應用的費用相對也很低。所以對μC/OS-II實時操作係統的學習研究、開發、應用具有重要意義。
大部分的μC/OS-II代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此μC/OS-II的可移植性好，然而仍需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關代碼。μC/OS-II的移植需要滿足以下要求：
（1）處理器的C編譯器可以產生可重入代碼；
（2）可以使用C調用進入和退出臨界區代碼；
（3）處理器必須支持硬件中斷，並且需要一個定時中斷源；
（4）處理器需要能夠容納一定數據的硬件堆棧；
（5）處理器需要有能夠在CPU寄存器與內核和堆棧交換數據的指令。
基於ARM7的S3C44B0X處理器完全滿足上述要求。它使用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是arm7TDMI，工作在66MHz，片上集成了以下部件：8K Cache、外部存儲器控製器、LCD控製器、4個DMA通道、2個UART、1個多主I2C總線控製器、1個I2C總線控製器，以及5通道PWM定時器和1個內部定時器、8通道12位ADC等，能夠與常用的外圍設備實現無縫連接，功能強大。目前，國內應用較為廣泛。
1內核的移植
μC/OS-II的移植隻需要修改與處理器相關的代碼就可以了。具體有如下內容：
（1）os_cpu.h中需要設置一個常量來標識堆棧增長方向；
（2）os_cpu.h中需要聲明幾個用於開關中斷和任務切換的宏；
（3）os_cpu.h中需要針對具體處理器的字長重新定義一係列數據類型；
（4）os_cpu_a.asm需要改寫4個匯編語言的函數；
（5）os_cpu_c.c需要用c語言編寫6個簡單函數；
（6）修改主頭文件include.h，將上麵的三個文件和其他自己的頭文件加入。
完成上述工作後，μC/OS-II就可以運行在arm處理器上了。
2 LwIP的移植
μC/OS-II本身沒有TCP/IP協議棧，目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業化的，很少給出源代碼，影響了μC/OS-II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協議棧LwIP移植到μC/OS-II上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網絡軟件平台。
2.1 Lwip的操作係統封裝層(operating system.emulation layer)
Lwip為了適應不同的操作係統,在代碼中沒有使用和某一個操作係統相關的係統調用和數據結構。而是在lwip和操作係統之間增加了一個操作係統封裝層。操作係統封裝層為操作係統服務(定時,進程同步,消息傳遞)提供了一個統一的接口。在lwip中進程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”。操作係統封裝層的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中。而和具體的操作係統相關的代碼在../lwip/src/arch/sys_arch.c中。
操作係統封裝層的主要函數如下:
void sys_init(void)//係統初始化
sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創建一個新進程
sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創建一個郵箱
void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放並刪除一個郵箱
void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發送一個消息到郵箱
void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息
sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創建一個信號量
void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放並刪除一個信號量
void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發送一個信號量
void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個信號量
void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設置一個超時事件
void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個超時事件
…
關於操作係統封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下麵的sys_arch.txt.文件。
2.2 Lwip在μC/OS-II上的移植.
2.2.1 係統初始化sys_int（）
sys_int必須在tcpip協議棧任務tcpip_thread創建前被調用。
2.2.2 創建一個和tcp/ip相關新進程sys_thread_new()
lwip中的進程就是μC/OS-II中的任務,注意宏LWIP_STK_SIZE是tcp/ip相關任務的堆棧大小,可以根據情況自己設置，我設置成10*1024，因為44b0X開發板上有8M的sdram；而宏LWIP_TASK_MAX是tcp/ip相關的任務最多數目；LWIP_START_PRIO 是tcp/ip相關任務的起始優先級,tcpip_thread在所有tcp/ip相關進程中應該是優先級最高的；另外tcpip_thread應該是最先創建的。
2.2.3 Lwip中的定時事件
在tcp/ip協議中很多時候都要用到定時,定時的實現也是tcp/ip協議棧中一個重要的部分。 LwIP中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度，以及超時後應調用的timeout函數，該函數會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空（NULL），說明該線程對連接做永久的等待。timeout結構體已經由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實現的是如下函數：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
這個函數的功能是返回目前正處於運行態的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬於線程的屬性，因此是OS相關的函數，隻能由用戶實現。
2.2.4 “mbox”的實現:
LwIP使用消息隊列來緩衝、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數：
sys_mbox_new（） //創建一個消息隊列
sys_mbox_free（） //釋放一個消息隊列
sys_mbox_post（） //向消息隊列發送消息
sys_arch_mbox_fetch（） //從消息隊列中獲取消息
μC/OS-II同樣實現了消息隊列結構OSQ及其操作，但是μC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS-II的基礎上重新實現。為了實現對消息的管理，我們定義了以下結構：
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;
void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上結構中，包括OS_EVENT類型的隊列指針（pQ）和隊列內的消息（pvQEntries）兩部分，對隊列本身的管理利用μC/OS-II自己的OSQ操作完成，然後使用μC/OS-II中的內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。
2.2.5 semaphone的實現和mbox類似,這裏就不再重複了。
3 uc/gui的移植
3.1 LCD的接口函數
在uC/GUI中LCD_LO_x之類的函數是無控製器LCD的接口函數。44B0X本身有LCD控製器。所以我在uC/GUI for 44B0X移植中基本移用LCDMemC.c這個程序。在這程序中都是關於LCD接口的驅動。其中在44B0X上主要修改以下幾個函數：
（1）LCD初始化: int LCD_L0_Init (void);
這個函數完成對44B0X LCD控製器的配置。顯存的映射。
（2）畫點函數：void LCD_L0_DrawPixel(int x, int y, int c);
取點函數：unsigned int LCD_L0_GetPixelIndex(int x, int y);
uC/GUI中顯示字、圖形都這兩個函數有關。
3.2 係統接口函數
在uCOS-II中用GUI的，所以還要寫幾個操作係統接口函數。而GUI_X_x之類的函數是和操作係統相關的接口。
（1）係統時間接口
取係統時間： int GUI_X_GetTime (void);
延時函數： void GUI_X_Delay (int ms);
（2）任務調度函數
任務初始化：void GUI_X_InitOS (void);
任務鎖定：void GUI_X_Lock (void);
任務解鎖：void GUI_X_Unlock (void);
4 結束語
上述移植完成後，使在arm微處理器上建立一個既有TCP/IP協議棧，又建立了圖形用戶接口的嵌入式實時操作係統。
最後更新：2017-04-02 00:06:55