μCOS移植技術探究

于江濤，吳兆芝(.通化師范學院計算機科學系，吉林通化3400;.南京曉莊學院數學與信息技術學院，江蘇南京7)

μCOS移植技術探究

于江濤1，吳兆芝2
(1.通化師范學院計算機科學系，吉林通化134002;2.南京曉莊學院數學與信息技術學院，江蘇南京211171)

文中以X86平臺及ARM平臺為例，分析了μCOS嵌入式內核移植的技術要點.內容包括X86平臺及ARM平臺硬件環境的簡述、操作系統引導及裝載程序的設計、μCOS運行之前硬件環境的建立、μCOS與平臺相關接口程序、設備驅動程序、實用庫函數的設計等.

μCOS;嵌入式內核移植;X86平臺;ARM平臺;GNU工具鏈

μCOS是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式實時多任務內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是與很多商業操作系統性能相當的實時操作系統(RTOS).為了提供最好的移植性能，μCOS最大程度上使用ANSIC語言進行開發，并且已經移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP).

由于μCOS結構清晰、代碼簡潔，便于學習、研究與開發，被眾多高校作為實時操作系統平臺用于嵌入式系統教學、實驗與科研.μCOS被廣泛移植到各種硬件平臺上，如目前最為流行的X86平臺及ARM平臺等.本文以這兩種常用移植平臺為例，對μCOS的移植技術進行分析.

1 μCOS移植要點

μCOS移植的基本思想在文獻［1］中有詳細論述，本文以X86平臺和ARM平臺為例，對μCOS移植技術加以闡述.

第一步，建立運行μCOS所需的系統環境，如主機引導啟動、設置中斷/異常處理等，這部分內容是移植過程所需的重點工作之一.對于各種不同硬件平臺，這部分的差別很大，但道理都是類似的.

第二步，設計μCOS與硬件平臺相關的接口程序，主要有os_cpu.h()、os_cpu_c.c()、os_cpu_a.s ()及os_cfg.h()等.這部分內容盡管與硬件平臺相關，但由于μCOS已考慮到系統的移植問題，采用中斷方式切換進程，所以其C語言程序區別不大，而匯編程序則區別較大.

第三步，設計相應的設備驅動程序.μCOS內核沒有自己的輸入輸出設備，因此需要根據不同的平臺設計相應的設備驅動程序.對于X86平臺而言，主要是顯示器和鍵盤;對于ARM平臺而言，可以使用串口作為主控機與運行中的ARMμCOS進行交互的渠道，μCOS運行過程中通過串口與主控機的超級終端交換信息.

第四步，設計相關的實用庫函數，如memcpy()、vsprintf()、sprintf()等.作為獨立的操作系統，μCOS不能直接使用開發環境的C程序庫，而必須設計自己專用的必要的庫函數.

此外，還要選擇適當的移植工具，如開發平臺、C編譯器、匯編語言等.對于高校的嵌入式系統教學、實驗及科研而言，筆者贊成文獻［2］中的觀點，認為應選用GNU工具鏈作為開發工具.盡管GNU工具鏈中匯編語言使用的AT＆T語法與Windows操作系統常用的Intel語法區別較大，然而Linux操作系統從一開始就使用AT＆T語法，這是高校計算機專業教學必須面對的現實.引導高校學生掌握乃至精通開源工具的使用，對于培養IT人才、增強學生的可持續發展潛力，都具有重要意義.

2 μCOS移植技術分析

2.1 X86平臺及ARM平臺簡述

由于X86平臺具有豐富的硬件資源、功能較強的輸入輸出設備(如鍵盤、顯示器等)，在X86平臺上移植μCOS將更便于對其進行研究與實驗.μCOS的設計者在文獻［1］中給出了將μCOS移植到X86平臺的方法.但該方法使用的是現已少見的Borland C編譯環境，而且只實現μCOS在X86實模式下的移植，并沒有體現X86保護模式的功能與特點.

保護模式是一種80286系列及后繼X86兼容CPU的操作模式.保護模式有一些新的特色，設計用來實現多任務并增強系統穩定性，支持內存保護、分頁系統以及虛擬內存.目前大部分X86操作系統都在保護模式下運行，包含Linux、FreeBSD、以及微軟Windows 2.0及之后版本.因此，無論從實際應用還是從專業教學的角度，都應該研究μCOS在X86保護方式下的移植技術.

ARM(Advanced RISCMachines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字.目前，采用ARM技術知識產權(IP)核的微處理器，即通常所說的ARM微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到各個方面.目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，因此使ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，具有更強競爭力.

鑒于上述原因，國內各高校都把ARM平臺作為嵌入式教學與實驗的首選平臺.研究μCOS在ARM平臺的移植技術，無疑具有重要的實用價值.

2.2 μCOS內核的引導與裝載

操作系統內核的引導與裝載是移植工作的第一步，是運行操作系統內核的基礎.

(1)基于X86保護模式的引導與裝載.在X86平臺保護模式下操作系統的引導過程如下:

①BIOS加載并啟動保存在硬盤MBR中的引導程序，該引導程序一般在操作系統安裝時寫入.②MBR引導程序掃描所有分區表，找出活動分區.③MBR引導程序加載并啟動保存在活動分區PBR中的引導程序.④活動分區PBR中的引導程序加載并啟動安裝在其上的操作系統.顯然PBR引導程序與操作系統密切相關，一般在操作系統安裝時寫入.

一般來說，由軟盤引導操作系統主要有三種方式:

①按軟盤邏輯扇網順序存放啟動模塊、裝載模塊和內核模塊，其中內核模塊為無格式二進制文件.②按軟盤邏輯扇網順序存放啟動模塊、裝載模塊和內核模塊，其中內核模塊為ELF可執行文件格式.③用Fat文件系統軟盤啟動.將啟動模塊存放在主引導扇區，裝載模塊及內核模塊鏈成一個Fat文件，拷貝到軟盤上.其中內核模塊為ELF文件格式.

第二種及第三種方式的內核模塊由于是ELF格式，需要在引導過程中動態安裝.但可以根據需要，設計不同的內核基址，使操作系統內核對內存的使用與配置更為靈活.

在X86平臺引導啟動后，要從實模式進入保護模式.保護模式的一項重要內容是全局描述符及局部描述符.由于μCOS在運行過程中不涉及X86的任務切換，所以只需為μCOS準備一套局部描述符即可.接下來的工作是開啟A20總線、加載全局描述符及中斷描述符、切換到保護模式，跳轉到保護模式.

(2)基于ARM平臺的引導與裝載.在ARM裸機環境下，操作系統的引導與安裝涉及到硬件初始化、中斷初始化、MMU初始化等工作.目前國內高校采用的嵌入式ARM教學實驗系統多為ARM實驗箱，一般都配備了vivi作為bootloader.由于vivi程序實現了操作系統引導安裝的絕大多數工作，所以在這種環境下的移植操作系統可使引導過程極大簡化.然而，移植之后的系統也只能通過vivi引導，而不能在ARM裸機上脫離vivi而直接啟動.文獻［2］提出一種ARM主機自適應啟動程序，較好地解決了這個問題.它不僅適用于μCOS的移植，同樣也可作為其它ARM應用系統的啟動程序，尤其適用于ARM平臺的各種基礎實驗.

2.3 μCOS運行環境初始化

一般來說，μCOS的初始化工作要由匯編程序及C程序共同完成.

對于X86平臺，主要涉及到8259A中斷控制器初始化、中斷向量的初始化、時鐘中斷初始化、鍵盤中斷初始化等.還要設計一個中斷向量設置函數os_ setvect()，供μCOS運行時調用.

對于ARM平臺，主要涉及ARM硬件初始化、中斷向量初始化、串口初始化、時鐘初始化及LED初始化等.

ARM硬件初始化主要是SDRAM相關的寄存器設置.中斷向量初始化部分，為簡單起見，除復位中斷(Reset)和外部請求中斷(IRQ)之外，其余中斷處理可簡單地設置為顯示中斷信息后進入無限循環的方式.串口初始化是對S3C2410串口寄存器的初始化工作.時鐘初始化是對時鐘寄存器的初始設置.

2.4 μCOS平臺相關程序

μCOS移植的另一個重點是μCOS平臺相關程序的設計.

對于X86平臺，文獻［1］給出了在X86實模式下的設計方法.在X86保護模式下，其設計思想類似，對照文獻［1］中給出的X86實模式程序，加以適當改動，不難實現X86保護模式下相應程序.

對于ARM平臺，文獻［3］給出了在ARM平臺上移植μCOS的實現技術與設計方法.參照文獻［3］，加以適當改動，不難實現相應程序.

值得注意的是，文獻［1］和［3］中給出的程序都不是使用GNU工具鏈開發的.因此，如果使用GNU工具鏈移植μCOS，則其匯編語言程序不僅要適應相應的硬件環境，同時還需要用AT＆T匯編語法來編寫.

2.5 設備驅動程序

對于X86平臺，主要包括屏幕顯示及鍵盤中斷.

屏幕顯示一般主要有以下功能:清屏、設置光標位置、讀取光標位置、設置字符顏色、屏幕滾動、屏幕定位、顯示字符及字符串等.此外，還應該有TTY方式的屏幕輸出函數，負責處理常用控制字符，如:回車符＇ ＇、制表符＇ ＇、退格符＇＇等.

由于μCOS內核本身不需鍵盤支持，所以鍵盤中斷一般無需設計得過于復雜，只要能實現一些簡單功能即可，如可顯示字符、退格鍵、回車鍵、大小寫轉換等.

對于ARM平臺，為簡單起見，可使用串口通信程序使μCOS與主控機進行交互.

串口通信程序主要包括對串口的讀寫操作，主要有字符及字符串輸入程序、字符及字符串輸出程序和字符串格式化輸出程序等.串口采用的通信方式會影響到通信效率，為此可采用FIFO方式實現串口通信.

2.6 庫函數

μCOS作為一個獨立的操作系統，必須有自己專用的庫函數，如內存操作(memcpy()、memset()等)、字符串操作(strcmp()、strcpy()、strlen()等)、格式化輸出函數(vsprintf())等.這些函數都可以用C語言實現.如考慮運行速度，也可以將內存操作函數用匯編語言實現.格式化輸出函數至少要包含整數(%d)、16進制數(%x)、字符(%c)及字符串(% s)格式.

3 結束語

μCOS為教學研究提供免費版本，受到嵌入式研究領域的廣泛關注.國內很多高校及嵌入式系統培訓機構都用μCOS作為嵌入式系統教學及實驗平臺，眾多實驗設備廠商也推出了各種支持μCOS移植的嵌入式實驗設備.用GNU工具鏈從事μCOS的移植與應用研究，對于高校的嵌入式系統教學與科研無疑具有重要的實用價值.

X86平臺及ARM平臺是最有代表性的嵌入式系統平臺.在高校嵌入式系統教學及研究方面，一方面可使用X86平臺，充分利用其豐富的輸入輸出功能以方便對嵌入式操作系統的研究;另一方面可使用ARM平臺，在教學及實驗過程中為學生提供真實的嵌入式系統環境.因此，在X86及ARM這兩種平臺上加強對μCOS移植技術的研究很有必要，也很有實際意義.

［1］［美］Jean J.Labrosse嵌入式實時操作系統μC/OS－II［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］曲波.ARMμCOS自適應啟動程序的設計與實現［J］.南京曉莊學院學報，2010，3(5).

［3］Micriμm Co.，Ltd.μC/OS－IIand ARM Processors［EB/OL］.http://www.Micriμm.com，2007.

(責任編輯:王前)

Abstract:Based on X86 and ARM platforms，the paper analyzes themain issues of porting embedded kernelμCOS.It consists of a brief description of the hardware environmentof X86 and ARM platforms，design of the OS booting and loading program，establishing of hardware environment before runningμCOS，the design of the platform－dependent interface ofμCOS，device drivers and utility library functions，etc.

Key words:μCOS;embedded kernel porting;X86 platform;ARM platform;GNU tool chain

Brief Analysis onμCOS Porting Technique

YU Jiang－tao1，WU Zhao－zhi2
(1.Department of Computer Science，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China;
2.School of Mathematicsand Information Technology，Nanjing Xiaozhuang College，Nanjing，Jiangsu 211171，China)

TP316

A

1008－7974(2011)04－0017－03

2011－03－02

于江濤(1969－)，男，吉林通化人，通化師范學院計算機科學系教授.