μC／OS－III在S12X架構上的移植

曾昭明，宮輝

（1.清華大學 工程物理系，北京 100084；2.清華大學 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室；3.清華大學 飛思卡爾培訓中心）

引 言

S12X架構是飛思卡爾公司推出的16位CPU，占有一定的單片機應用市場。μC／OS－III是Micrium公司推出的一款實時操作系統（RTOS），它的前身——μC／OS－II，由于源碼公開、實時性好、便于學習等優點，應用非常廣泛，并被移植到了幾乎所有主流的CPU架構上。但是到目前為止，μC／OS－III在S12X架構上還沒有官方的移植版本。

μC／OS－III相比μC／OS－II作了很大的改進，整個內核基本被重寫。任務的數量可無限多，只受限于系統存儲器的大小；由于支持時間片輪轉調度，任務的優先級可以相同；采用了延遲中斷處理機制（deferred post），中斷服務所要訪問的全局變量數變得很少，使得大部分臨界代碼的保護只需要關閉調度器，而不需要關閉中斷，大大縮短了系統的中斷延遲；系統時鐘服務（tick handling）被移到了任務級執行，進一步縮短了中斷延遲；引入了時間戳的概念，用32位計數器為系統提供了精確的時標，用來計算每個任務的CPU使用率、最長關中斷時間、最長關調度器時間等；提供了獨特的、豐富的運行時統計參數，為更好地應用μC／OS－III提供了有力的基礎。更深入地了解μC／OS－III內核，讀者可以參見參考文獻［1］。

總之，μC／OS－III是μC／OS－II的全面升級，具有更短的中斷延遲、更豐富的運行時參數、更豐富的調試手段、更優的代碼組織、更靈活的配置和使用等，但是，μC／OS－III對于硬件卻沒有更高的要求：對于ROM的需求，μC／OSIII為6～24KB，μC／OS－II為6～26KB；對于 RAM 的需求二者均為1KB左右，可見μC／OS－III同樣適合運行在低端的8位、16位單片機上。由于繼承了μC／OS－II的優點，μC／OS－III有了這么多新的優秀特性，它應該會得到更廣泛的應用。本文詳細地講述了μC／OS－III移植的方法和在S12X架構上移植的具體步驟，希望能對在該方面有需求的讀者提供幫助。［4－5］

1 μC／OS－III的移植方法

如前所述，μC／OS－III對于硬件的要求并不比μC／OSII高多少。事實上，只要滿足如下幾條，μC／OS－III就能夠被移植到該平臺上［1］：

① 處理器帶有支持標準C的工具鏈，并且需要支持32位數據。

② 處理器支持中斷，并能夠提供10～1 000Hz的周期中斷作為系統的時鐘節拍源。

③ 中斷能夠被關閉和打開。

④ 處理器有棧指針寄存器，并且所有其他的寄存器能夠被存儲和恢復。

⑤ 處理器能夠支持足夠的尋址空間。

這幾個條件，現在的處理器架構都能夠滿足，S12X顯然也滿足，所以μC／OS－III能夠移植到S12X架構上。

μC／OS－III的代碼組織非常利于移植，代碼按照模塊分層次地組織在一起。移植時需要改動的模塊和文件如表1所列。

表1 μC／OS－III移植時需要改動的文件

2 μC／OS－III在S12X架構上移植的步驟

2.1 第一步：建立合適的起點

移植之前找一個合適的起點非常必要。這包括選擇已經移植好的可運行的版本、工具鏈和開發板。由于不存在飛思卡爾16位CPU的μC／OS－III的移植版本，這里選擇K60移植版本，該移植版本的IAR示例工程可以從Micrium官方網站下載。工具鏈選擇CodeWarrior Development Studio for S12（X）V5.1（以下簡稱CW5.1），開發板使用MC9S12XDP512的核心小板即可。K60的處理器基于Cortex－M4架構，是32位CPU，與S12X16位處理器存在很大的差異，所以表1中所列的文件基本需要全部重寫。

2.2 第二步：新建工程

打開CW5.1，新建工程，選擇目標為 MC9S12XDP512，調試方式為TBDML，采用C語言開發，選擇小存儲模式（small memory model），其余的選項按照默認設置即可。MC9S12XDP512采用了分頁內存機制，擴展了16位CPU的64KB尋址空間，它擁有512KB的Flash，出于簡單考慮，移植的過程中忽略這種分頁機制，即所謂的小存儲模式，只使用默認的64KB的存儲空間。對于大多數的16位單片機應用，這么大的存儲空間應該夠用。μC／OS－III的設計并沒有固定代碼和數據的位置，也沒有固定中斷的設置方法，也沒有固定自己的啟動代碼，將這些都交給了工具鏈或者用戶。μC／OS－III代碼的運行開始于main函數，對于之前的C語言環境初始化、硬件初始化沒有什么特殊的需求，對于自己的代碼和數據段的放置也沒有特別的要求，這應該說是一種靈活性。中斷設置，需要在前述的prm文件中加入如下幾行：

VECTOR 0＿Startup

VECTOR 7OS＿CPU＿SysTickHandler

VECTOR 4OSCtxSw

分別制定好用于任務切換的軟中斷和時鐘節拍的RTI中斷。

2.3 第三步：添加文件

打開資源管理器，在工程目錄下新建表2所示目錄，并從官網上下載的IAR示例工程中拷貝相應的文件。在CW5.1的工程中添加表2中新建的文件夾，并將上述拷貝的文件加入對應的文件夾。接下來需要修改路徑設置：Edit－﹥Standard Setting－﹥ Target－﹥ Access Paths，勾選Always Search User Paths。這樣，添加文件的環節算是完成了。

表2 需要的新建目錄和添加文件

2.4 第四步：修改文件

這一步是移植的關鍵，按照表2的總結，一共需要修改8個文件，接下來逐個說明。

（1）os＿cpu＿a.asm

該文件包含了OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw三個實現任務切換的代碼片段，將這3個片段定義到一個代碼段，比如codesection2段，具體就是在文件開始處加上語句“codesection2：SECTION”即可。另外，μC／OS－III中這3個函數都是在臨界代碼段中訪問，故不需要考慮共享變量的問題。OSCtxSw的代碼如下：

該函數被設計成swi軟中斷的服務程序，所以1～2行代碼結合中斷響應時的入棧操作完成了被換出任務的上下文的保存，3行調用介入函數，4～7行修改了記錄當前任務TCB和優先級的全局變量，8行將SP換成了換入任務的棧指針，9行執行后CPU會裝載換入任務的上下文，從而完成了上下文切換。OSStartHighRdy和OSIntCtxSw的機制和OSCtxSw類似，代碼分別如下：

應該注意到，這3個函數的功能僅僅是保存換出任務的上下文和裝載換入任務的上下文，之所以這么簡單，主要是因為S12X的寄存器很少，中斷響應和返回過程硬件都自動完成了所有寄存器的保存和恢復。這也從一個側面說明了為什么需要借助中斷完成任務切換的一個原因：借助中斷機制，可以高效簡潔地完成上下文切換。

（2）os＿cpu＿c.c

這個文件里面至少需要修改兩個函數，即任務棧初始化函數OSTaskStkInit和時鐘節拍服務程序OS＿CPU＿SysTickHandler。遵照S12X中斷的棧結構［2］，OSTaskStkInit實現如下：

從棧頂到棧底依次為CCR、D、X、Y、PC，按照S12X的C語言參數傳遞規則，任務函數的傳入參數被保存在了D寄存器對應的棧位置。

時鐘節拍的服務子程序為：

該宏保存被中斷任務的棧頂指針，在其TCB結構中，之所以需要先遞增SP、保存SP、再遞減，是因為CPU＿SR＿ALLOC（）宏定義了一個局部變量，該變量處在任務棧上，但是不屬于上下文的一部分。

如果在該移植版本上寫中斷服務子程序，都需要寫成上述格式，μC／OS－III才能夠正常運行。另外，需要將OSTaskSwHook函數單獨定義在os＿cpu＿a.asm文件中所定義的那個段中，這只需在該函數頭尾加上如下語句［3］：

這是因為該函數被os＿cpu＿a.asm文件中的3個匯編函數以bsr指令調用，而bsr只能夠實現－128～＋127范圍的相對轉移，故這里只需要將他們放在同一段，即可完成跳轉。

os＿cpu.h為頭文件，需要定義上述 OS＿SAVE＿SP（）宏，其他的可以不更改，也可以刪除那些沒有被定義的聲明（如原來的pendSV的服務子程），注意os＿cpu＿a.asm是完全重寫，os＿cpu＿c.c只是修改上述兩個函數。

（3）cpu.h

編譯器無關的數據類型定義，可以參考Edit－﹥Standard Setting－﹥Compiler for HC12－﹥type sizes，默認情況下char為8位，int和short為16位，long和long long為32位，該編譯器不支持64位。該處理器為大端模式、棧生長方向為遞減［2］，其余的設置都很容易改動，這里不一一贅述。

（4）cpu＿a.asm

替代對應的函數如下所示，其余的函數可以刪除（μC／OS－III沒有用到）：

這幾個函數完成相應的使能中斷、關閉中斷、保存中斷狀態并關閉、恢復中斷狀態這4個功能，都比較簡單，這里不再贅述。

cpu＿c.c文件中的函數其實都可以刪了，當然也可以保留，因為這里面原來是一些關于中斷向量操作、位帶操作指令，這些都是特定于Cortex－M3的，S12X并沒有位操作的對應指令。

最后是bsp.c和bsp.h，簡單起見，bsp.c只定義了如下函數：

這算得上是最簡單的“bsp包”了，僅僅設置并使能了RTI中斷作為系統時鐘中斷（當然還關閉了IRQ中斷）。該函數需要在第一個運行的用戶任務中調用，開始μC／OS－III的心跳。

至此，所有必要的文件修改工作已經完成。

2.5 第五步：調試運行

經過上述步驟，如果編譯、鏈接沒有什么問題，寫一個簡單的應用，借助調試器就可以對基于μC／OS－III的應用進行調試了。其實在移植的過程中，第四步的很多細節都是在第五步的調試中發現問題并完善的。值得注意的是，由于MC9S12XDP512沒有32位的計數器，所以bsp.c里面也沒有初始化該計數器的代碼，也沒有提供系統所需的CPU＿TS＿TmrRd函數，所以以下幾個宏應該配置如下：

＃define OS＿CFG＿TS＿EN 0u

＃define OS＿CFG＿SCHED＿LOCK＿TIME＿MEAS＿EN 0u

不定義CPU＿CFG＿INT＿DIS＿MEAS＿EN宏，在這種配置下，系統所有依賴于時間戳的功能都被關閉。其余的μC／OS－III組件都可以使能。

結 語

使用CW5.1集成開發環境的讀者，只要按照以上步驟，即可在S12X系列單片機上完成μC／OS－III的移植和運行。本文還融入了筆者對于μC／OS－III的理解，希望能夠幫助讀者理解和熟悉μC／OS－III的移植工作，進一步加深對于該款優秀實時內核的理解。

［1］Jean J Labrosse.μC／OS－III the Real Time Kernel for the Freescale Kinetis ［EB／OL］.［2012－07－25］.http：／／micrium.com／page／downloads／os－iii＿projects.

［2］Freescale.MC9S12XDP512Data SheetV1，2012.

［3］Freescale.CodeWarriorV5.1HCS12（X）Compiler help file，2012.

［4］黃土琛.μC／OS－III對任務調度的改進［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012（11）：78－81.

［5］宮輝.μC／OS－II到μC／OS－III的各種改進［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012（10）：79－81.