ＵＣＯＳ移植中的硬件抽象層構建技術

摘 要：在UCOS移植前，必須先要建立一定的硬件環境讓其運行。原始的UCOS實際上構成了具體內核中的外層或高層，而真正位于內核底層的則是CPU。而這兩者之間就由“硬件抽象層”(HAL)來連接。本文在基于HMS30C7202硬件平臺的基礎上，詳細講述了UCOS在HMS30C7202移植中，硬件抽象層的實現步驟。

關鍵詞：UCOS移植；硬件抽象層；中斷二次跳轉

引言

一般常用的嵌入式操作系統和通用操作系統一樣，在內核完成了自身的初始化以后便會創建一個shell進程或者相應的窗口。之后，其他應用進程的創建和啟動就是這個shell進程或者窗口的事情了。然而，像類似于UCOS這類比較小而是專用的嵌入式操作系統就不同了，內核和應用程序之間沒有明確的界限，它們共享一個地址空間，在物理地址或者邏輯地址上都形成一個整體。整個系統的映像中就只有一個入口函數。

UCOS啟動中，系統在完成最初的硬件初始化以后便轉入由開發者提供的main()，在main()中再調用一個內核函數OSInit()來完成內核的初始化，然后在完成了與應用相關的初始化以后，就可以調用一個內核函數OSStart()啟動內核的進程調度。從上面的過程可以看出，main0函數其實是一個回調函數，整個系統的入口其實是在HAL程序中。

HAL簡介

一般HAL中包含著特定CPU的匯編語言編寫的底層函數和數據結構，例如對CPU內部一些特殊寄存器的設置、開中斷／關中斷、中斷向量的設置等等。

在不同類型的操作系統中，HAL存在的形式也有很大的不同。在一體化內核的Linux操作系統中，不存在獨立的HAL。在Linux內核的源碼中，目錄arch／下面就是依賴于各種不同CPU的底層代碼，那就是需要靜態連接到內核中的HAL。所以，Linux所需要的就只是一個基本的引導裝入程序。一旦內核開始運行，引導裝入程序就完成了使命，Linux內核及其應用程序不會調用引導裝入程序中的任何一段代碼。然而在微內核的UCOS操作系統中，內核引導裝入程序與HAL連接在一起，或者說在HAL的基礎上構建內核引導裝入程序。

在Hms30C7202上構建HAL

Hms30c7202是一款基于ARM720T內核的32位處理器。主要特征如下：更詳細的芯片功能介紹請見參考文獻。

·內核運行速率可達70MHz

·8KB綜合指令／數據的cache

·內存管理單元MMU

·支持小端操作系統

·2KBSRAM可用于內部buffer。

如上所說，在ARM上運行UCOS的HAL要完成系統硬件的初始化和操作系統的引導兩個工作。系統的初始化，主要包括下面幾個步驟：

·標志整個代碼的初始入口點

·設置異常中斷向量表

·初始化存儲系統

·初始化MMU

·將已經初始化的數據搬運到可寫的數據區

·初始化各個模式下的數據棧

·初始化一些特殊外圍接口

·安放好中斷處理程序

·使能IRQ異常中斷

以上的步驟中根據處理器中相應的寄存器，進行數據的讀寫即可。但是要注意MMU的初始化和中斷結構的設計。在Hms30c7202中，對于MMU設置如下：

IMPORT LOPageTable

ldrr0，=LOPageTable

mcr

p15，0，r0，c2，c0，0

mvn

rO，#0

mcr

p15，0，r0，c3，c0，0

mov

rO，#CtrlMMU+CtrlCache+CtrlWBuff

mcr

p15，0，rO，c1，c0，0

首先我們將建立好的頁表地址的基址存入寄存器C2(translationtablebase)，然后通過寄存器C3設置好內存的訪問權限，最后使能MMU單元，CACHE和BUFF。在LOPageTable開始的內存頁表中，規劃’了4G內存的分配情況。其實根據UCOS的自身特點可以不使用MMU或者將內存映射為1—1的甲板映射就可以。這里將4G的空間劃分開來主要是為了更好的通用性，將來如果引導Linux，就也可以使用這段代碼。

中斷結構和中斷處理程序的設計，應該是HAL中最為重要的一個環節。因為UCOS做為一個多任務操作系統，其本質就是在響應系統指定的時鐘中斷后進行任務切換。為了使中斷處理程序的安裝更為方便，因此采用了中斷二次跳轉的方法。首先在ARM處理器定義的中斷向量處安放跳轉指令，跳轉到指定位置后，再進行位置的第二次映射。其中位置的映射是通過一個匯編定義的宏來實現的。其代碼如下：

MACRO

$SourceHANDLER$Destination

$Source

subsp，sp，#4

stmfdsp!，{rO}

1drr0，=$Destination

ldr ro.[ro]

strl0，[sp，#4]

Idmfd sp!，{r0，pc}

MEND

這樣就可以在程序的任意位置定義自己的中斷處理函數，而不必擔心因為使用B指令帶來的跳轉范圍的限制問題。以[RQ中斷為例：

HandlerlRQ

HANDLERHandlelRQ

IRQ中斷發生時，PC指向地址0X18處，在此處放一條：B HandlerlRQ，程序跳轉到Handler處，根據宏所定義的操作，PC指向HandlelRQ所代表的地址處。也就是說當IRQ中斷發生時，其中斷向量已經是HandleFlQ所代表的地址了，從這個地址再映射到UCOS IRQHANDLER就可以正確的實現IRQ中斷的響應了。Hms30c7202中其他中斷資源也都有自己固定的中斷向量地址，也可以使用類似的方法進行處理。在需要用到的中斷資源對應的中斷向量處，安放相應中斷處理函數的起始地址即可。

在UCOS中需要用到一個周期性的中斷源來產生系統的時鐘節拍。對于Hms 30c7202，可以選擇使用WATCHDOGTimer、RTC或者是Timer來實現。這三者都可以實現周期中斷，只是操作的難易程度不一樣。如果系統要求高精度實時中斷，使用Timer比較奸。如果系統要求比較低的話，用RTC實現則十分的簡單。不管哪一種方法實現，其中斷處理程序是相似的，給出偽代碼如下：

XXX_IRQ_Handler

{

清除中斷標志位

重新設置中斷條件

OSTimeTick()

}

當周期中斷發生時，Hms30c7202先進入IRQ中斷，再來判別中斷源。所以當進入UCOSIRQHANDLER后，在其中因該調用一個C函數來實現中斷源的判別和相應處理函數的運行。

EXPORT UCOS IRQHandler

UCOS IRQHandler

stmfdsp!，{rO-r3，r12，1r}

blOSIntEnter

b1C IRQHandler

blOSIntExit

ldrr0，=OSIntCtxSwFlag

ldrrl，[rO]

cmprl，#1

beq_IntCtxSw

ldmfdsp!，{r0-r3，r12，1r}

subs pc，lr，#4

至此，整個HAL的框架已經建好，按照先前提出的步驟和上面講到的中斷處理的方法，編寫好整個HAL程序和os cpu a．s和os_cpu_c．c中6個關鍵的移植函數。再跳轉到main()程序入口，初始化UCOS操作系統，創建任務，啟動系統時鐘，啟動系統即可運行自己定義的任務。

結語

對于UCOS來講，在其運行以前HAL就已經把運行操作系統所必需的硬件環境建立好，并且隱藏了UCOS在調用系統硬件資源時實現的具體操作細節。從這點可以認為簡單的HAL其實就是一個硬件資源初始化的程序。然而實際上完全可以基于HAL寫一個普通的監控程序或者是引導／裝入程序，甚至是一個內核。ARM公司為操作系統的開發提供了一個HAL，稱為μHAL。μHAL是一組庫程序。ARM公司向用戶提供LlHAL的源代碼和已經編譯好的兩個二進制文件，分別用于“半寄宿(semihost)“和獨立運行(standalone)。具體內容請見參考文獻當然也可以自己編寫這些代碼，本文就是這種情況。這樣做工作量會變大，但是整個程序也許會更加的簡練，執行的效率會更高。注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。