基于μC/OS的嵌入式系統應用開發研究
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學習網 【字體：
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一、嵌入式系統概述
嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，目前嵌入式系統已經滲透到日常生活的各個方面，其在工業、服務業、消費電子等領域的應用范圍都不斷擴大，嵌入式計算機系統的正式定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，符合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的主要特征有：系統內核小；專用性強；系統精簡；嵌入式軟件要求高實時性的操作系統軟件；軟件要求高質量和高可靠性；嵌入式系統開發需要專門的開發工具和環境。
嵌入式系統由硬件和軟件兩大部分組成，在本開發應用中，選擇ARM7TDMI內核結構的samsung公司的s3c44b0作為微處理器芯片，該芯片具有主頻高、運算速度快，超低功耗、價格低廉、結構簡單等特點，在該內核基礎上擴展了一系列完整的通用外圍器件，主要有：片內8KB高速緩存、帶有1個專用DMA通道的LCD控制器、2個通用DMA通道、1個多主機I2C總線控制器、5個PWM定時器及1個內部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、8個10位ADC等資源，主頻為66MHZ,系統支持大小端模式，共256MB的地址空間，支持8/16/32位數據總線編程。
開發平臺外配與用戶交互接口有RS-232串口電路、外擴flash、sdram，USB控制電路、以太網電路、鍵盤，JTAG接口電路部分。
實時嵌入式操作系統的種類繁多，大體上可以分為兩種：商用型和免費型，前者系統功能穩定、可靠，并有完善的技術支持和售后服務，建立應用開發較為容易，但價格昂貴，代表性的有美國WindRiver公司的VxWorks操作系統、Microsoft公司的WinCE操作系統；免費型可以節約成本，且源碼公開，便于開發，代表性的有嵌入式Linux系統、μC/OS系統。
二、嵌入式μC/OS的體系結構介紹
由于μC/OS結構簡單，編程工具絕大部分是C語言編程，可以在大多數界面友好的編譯器中編譯生成目標代碼，如Borland C、Keil等工具，且其內核最小可以到幾十K,可以在多種體系結構的微處理器上移植，用戶的工作較小，源代碼開放，便于學習。μC/OS-II的幾大組成部分有：
核心部分(OSCore.c) 是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。
任務處理部分(OSTask.c)完成任務的操作；包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。
時鐘部分(OSTime.c)主要完成任務延時等操作。
任務同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分； μC/OS-II的軟件體系結構如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。
三、μC/OS在ARM微處理器上的移植
μC/OS-II的全部源代碼量大約是6000－7000行，一共有15個文件。將 μC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要完成的工作也非常簡單，只需要修改三個和ARM體系結構相關的文件，代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個文件的移植工作：
OS_CPU.H 文件 數據類型定義，這部分的修改是與所用的編譯器相關的，不同的編譯器會使用不同的字節長度來表示同一數據類型，這里采用的編譯器為集成可視化開發環境ARM SDT 2.5,相關的數據類型的定義如下：
#define BYTE INT8S /* Define data types for backward compatibility */
#define UBYTE INT8U /* .to uC/OS V1.xx. Not actually needed for . */
#define WORD INT16S /* ... uC/OS-II. */
#define UWORD INT16U
#define LONG INT32S
#define ULONG INT32U
堆棧單位因為處理器現場的寄存器在任務切換時都將會保存在當前運行任務的堆棧中，所以OS_STK 數據類型應該是和處理器的寄存器長度一致的。
typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide */
堆棧增長方向該設置由編譯器選項決定，在本開發中設定堆棧由高地址向低地址增長。
#define OS_STK_GROWTH 1 //define the stack to grow from high to low
2、OS_CPU_C.C 文件
任務堆棧初始化 這里涉及到任務初始化時的一個堆棧設計，也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器位置，在ARM體系結構下，任務堆棧空間由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、… r1、r0、CPSR、SPSR。
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
{
unsigned int *stk ;
opt = opt; /* 'opt' is not used, prevent warning */
stk = (unsigned int *)ptos; /* Load stack pointer */
*--stk = (unsigned int) task; / * lr */
……; /* r12—r0 */
*--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */
*--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */
return ((void *)stk);
}
當前任務堆棧初始化完成后，OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針stk，在 OSTaskCreate（）執行時將會調用 OSTaskStkInit 的初始化過程，然后通過OSTCBInit（）函數調用將返回的sp指針保存到該任務的TCB塊中。
OSStartHighRdy（） 該函數是在主程序OSStart( )多任務啟動后執行，負責從最高優先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針sp，通過sp依次將cpu現場恢復，這時系統就將控制權交給用戶創建的該任務進程，僅執行一次，此后多任務優先級調度由下面函數執行。
OSCtxSw（） 任務級的上下文切換，它是當任務因為被阻塞而主動請求cpu調度時被執行，由于此時的任務切換都是在非異常模式下進行的，它的工作是先將當前任務的cpu現場保存到該任務堆棧中，然后獲得最高優先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的cpu現場，使之繼續執行。
OSIntCtxSw（） 中斷級的任務切換，它是在時鐘中斷ISR（中斷服務例程）中發現有高優先級任務等待的時鐘信號到來，則在中斷退出后直接調度就緒的高優先級任務執行。
OSTickISR（） 時鐘中斷處理函數，它的主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優先級任務，則需要在中斷級別上調度其執行。其他相關的兩個函數是OSIntEnter（）和OSIntExit（），都需要在ISR中執行。
移植完以上程序后，用戶就可以結合自己的項目要求來編寫自己的應用程序了，用戶可以添加如打印、空等待等任務，以下給出了一個例程，通過調用OSTaskCreate ( )函數注冊了三個任務，由系統根據最優調度原理進行調度。
void main (void)
{
Initialize(); /* Processor specific initialization */
OSInit();
bufferSemaphore = OSSemCreate(BUFFER_LENGTH - 1);
terminalSemaphore = OSSemCreate(1);
OSTaskCreate(Task1, (void*)string1, (void*)&stacks[0][TASK_STK_SIZE - 1], 0);
OSTaskCreate(Task2, (void*)string2, (void*)&stacks[1][TASK_STK_SIZE - 1], 1);
OSTaskCreate(Task3, (void*)string3, (void*)&stacks[2][TASK_STK_SIZE - 1], 2);
OSStart(); /* Start..... */
}
四、驅動程序的添加
由于UC/OS提供的僅僅是一個任務調度的內核，通過以上移植，要想得到一個相對完整、實時的嵌入式多任務操作系統，還必須進行相當多的擴展工作。主要有：建立文件系統、通過開發如LCD液晶顯示、USB通信、鍵盤、串口等驅動程序從而提供應用程序調用的API函數，還有創建圖形用戶接口（GUI）函數等，下面主要介紹一下串口驅動程序的開發。
void Uart_Init(int mclk,int baud) { }
該函數主要是初始化串口，設置波特率，其中mclk是系統主時鐘頻率，band參數傳遞串口通信波特率。
void Uart_Select(int ch) { }
該函數進行串口選擇，ch 傳遞串口號。
char Uart_Getch(void) { }
該函數從串口讀取字符，存放在一數組內。
void Uart_GetString(char *string) { }
該函數讀取要發送的字符串，并一個一個字符地從串口發送。
void Uart_SendByte(int data) { }
該函數通過串口發送數據，data是需要發送的字符。
void Uart_SendString(char *pt) { }
該函數通過串口發送字符串，pt是字符串首地址的指針。
通過以上接口函數，系統向用戶提供了屏蔽底層硬件的API函數，用戶可以通過調用以上函數，方便地對串口進行操作。
五、結束語
目前市場上基于μc/os嵌入式操作系統的產品比較多，應用領域包括工業控制、信息家電、網絡設備等方面，而且基于μc/os的應用正潮起云涌，蓬勃發展。隨著后PC時代的來臨，嵌入式系統理論與應用研究日新月異，μc/os正是我們手中開發嵌入式系統的利器，較好的掌握這門技術可以將理論與實際應用相結合，更好地服務于我們的日常生活和生產中。
參考文獻：邵貝貝譯.μC/ OS -Ⅱ源碼公開的實時嵌入式操作系統[M] .
嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合后的產物，目前嵌入式系統已經滲透到日常生活的各個方面，其在工業、服務業、消費電子等領域的應用范圍都不斷擴大，嵌入式計算機系統的正式定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，符合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統的主要特征有：系統內核小；專用性強；系統精簡；嵌入式軟件要求高實時性的操作系統軟件；軟件要求高質量和高可靠性；嵌入式系統開發需要專門的開發工具和環境。
嵌入式系統由硬件和軟件兩大部分組成，在本開發應用中，選擇ARM7TDMI內核結構的samsung公司的s3c44b0作為微處理器芯片，該芯片具有主頻高、運算速度快，超低功耗、價格低廉、結構簡單等特點，在該內核基礎上擴展了一系列完整的通用外圍器件，主要有：片內8KB高速緩存、帶有1個專用DMA通道的LCD控制器、2個通用DMA通道、1個多主機I2C總線控制器、5個PWM定時器及1個內部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、8個10位ADC等資源，主頻為66MHZ,系統支持大小端模式，共256MB的地址空間，支持8/16/32位數據總線編程。
開發平臺外配與用戶交互接口有RS-232串口電路、外擴flash、sdram，USB控制電路、以太網電路、鍵盤，JTAG接口電路部分。
實時嵌入式操作系統的種類繁多，大體上可以分為兩種：商用型和免費型，前者系統功能穩定、可靠，并有完善的技術支持和售后服務，建立應用開發較為容易，但價格昂貴，代表性的有美國WindRiver公司的VxWorks操作系統、Microsoft公司的WinCE操作系統；免費型可以節約成本，且源碼公開，便于開發，代表性的有嵌入式Linux系統、μC/OS系統。
二、嵌入式μC/OS的體系結構介紹
由于μC/OS結構簡單，編程工具絕大部分是C語言編程，可以在大多數界面友好的編譯器中編譯生成目標代碼，如Borland C、Keil等工具，且其內核最小可以到幾十K,可以在多種體系結構的微處理器上移植，用戶的工作較小，源代碼開放，便于學習。μC/OS-II的幾大組成部分有：
核心部分(OSCore.c) 是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。
任務處理部分(OSTask.c)完成任務的操作；包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。
時鐘部分(OSTime.c)主要完成任務延時等操作。
任務同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分； μC/OS-II的軟件體系結構如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。
三、μC/OS在ARM微處理器上的移植
μC/OS-II的全部源代碼量大約是6000－7000行，一共有15個文件。將 μC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要完成的工作也非常簡單，只需要修改三個和ARM體系結構相關的文件，代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個文件的移植工作：
OS_CPU.H 文件 數據類型定義，這部分的修改是與所用的編譯器相關的，不同的編譯器會使用不同的字節長度來表示同一數據類型，這里采用的編譯器為集成可視化開發環境ARM SDT 2.5,相關的數據類型的定義如下：
#define BYTE INT8S /* Define data types for backward compatibility */
#define UBYTE INT8U /* .to uC/OS V1.xx. Not actually needed for . */
#define WORD INT16S /* ... uC/OS-II. */
#define UWORD INT16U
#define LONG INT32S
#define ULONG INT32U
堆棧單位因為處理器現場的寄存器在任務切換時都將會保存在當前運行任務的堆棧中，所以OS_STK 數據類型應該是和處理器的寄存器長度一致的。
typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide */
堆棧增長方向該設置由編譯器選項決定，在本開發中設定堆棧由高地址向低地址增長。
#define OS_STK_GROWTH 1 //define the stack to grow from high to low
2、OS_CPU_C.C 文件
任務堆棧初始化 這里涉及到任務初始化時的一個堆棧設計，也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器位置，在ARM體系結構下，任務堆棧空間由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、… r1、r0、CPSR、SPSR。
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
{
unsigned int *stk ;
opt = opt; /* 'opt' is not used, prevent warning */
stk = (unsigned int *)ptos; /* Load stack pointer */
*--stk = (unsigned int) task; / * lr */
……; /* r12—r0 */
*--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */
*--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */
return ((void *)stk);
}
當前任務堆棧初始化完成后，OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針stk，在 OSTaskCreate（）執行時將會調用 OSTaskStkInit 的初始化過程，然后通過OSTCBInit（）函數調用將返回的sp指針保存到該任務的TCB塊中。
OSStartHighRdy（） 該函數是在主程序OSStart( )多任務啟動后執行，負責從最高優先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針sp，通過sp依次將cpu現場恢復，這時系統就將控制權交給用戶創建的該任務進程，僅執行一次，此后多任務優先級調度由下面函數執行。
OSCtxSw（） 任務級的上下文切換，它是當任務因為被阻塞而主動請求cpu調度時被執行，由于此時的任務切換都是在非異常模式下進行的，它的工作是先將當前任務的cpu現場保存到該任務堆棧中，然后獲得最高優先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的cpu現場，使之繼續執行。
OSIntCtxSw（） 中斷級的任務切換，它是在時鐘中斷ISR（中斷服務例程）中發現有高優先級任務等待的時鐘信號到來，則在中斷退出后直接調度就緒的高優先級任務執行。
OSTickISR（） 時鐘中斷處理函數，它的主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優先級任務，則需要在中斷級別上調度其執行。其他相關的兩個函數是OSIntEnter（）和OSIntExit（），都需要在ISR中執行。
移植完以上程序后，用戶就可以結合自己的項目要求來編寫自己的應用程序了，用戶可以添加如打印、空等待等任務，以下給出了一個例程，通過調用OSTaskCreate ( )函數注冊了三個任務，由系統根據最優調度原理進行調度。
void main (void)
{
Initialize(); /* Processor specific initialization */
OSInit();
bufferSemaphore = OSSemCreate(BUFFER_LENGTH - 1);
terminalSemaphore = OSSemCreate(1);
OSTaskCreate(Task1, (void*)string1, (void*)&stacks[0][TASK_STK_SIZE - 1], 0);
OSTaskCreate(Task2, (void*)string2, (void*)&stacks[1][TASK_STK_SIZE - 1], 1);
OSTaskCreate(Task3, (void*)string3, (void*)&stacks[2][TASK_STK_SIZE - 1], 2);
OSStart(); /* Start..... */
}
四、驅動程序的添加
由于UC/OS提供的僅僅是一個任務調度的內核，通過以上移植，要想得到一個相對完整、實時的嵌入式多任務操作系統，還必須進行相當多的擴展工作。主要有：建立文件系統、通過開發如LCD液晶顯示、USB通信、鍵盤、串口等驅動程序從而提供應用程序調用的API函數，還有創建圖形用戶接口（GUI）函數等，下面主要介紹一下串口驅動程序的開發。
void Uart_Init(int mclk,int baud) { }
該函數主要是初始化串口，設置波特率，其中mclk是系統主時鐘頻率，band參數傳遞串口通信波特率。
void Uart_Select(int ch) { }
該函數進行串口選擇，ch 傳遞串口號。
char Uart_Getch(void) { }
該函數從串口讀取字符，存放在一數組內。
void Uart_GetString(char *string) { }
該函數讀取要發送的字符串，并一個一個字符地從串口發送。
void Uart_SendByte(int data) { }
該函數通過串口發送數據，data是需要發送的字符。
void Uart_SendString(char *pt) { }
該函數通過串口發送字符串，pt是字符串首地址的指針。
通過以上接口函數，系統向用戶提供了屏蔽底層硬件的API函數，用戶可以通過調用以上函數，方便地對串口進行操作。
五、結束語
目前市場上基于μc/os嵌入式操作系統的產品比較多，應用領域包括工業控制、信息家電、網絡設備等方面，而且基于μc/os的應用正潮起云涌，蓬勃發展。隨著后PC時代的來臨，嵌入式系統理論與應用研究日新月異，μc/os正是我們手中開發嵌入式系統的利器，較好的掌握這門技術可以將理論與實際應用相結合，更好地服務于我們的日常生活和生產中。
參考文獻：邵貝貝譯.μC/ OS -Ⅱ源碼公開的實時嵌入式操作系統[M] .
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