嵌入式操作系統μC/OS?Ⅱ剖析與移植

摘 要： 嵌入式操作系統與應用程序不同，不能直接使用在不同硬件平臺上。尤其是使用嵌入式操作系統的電子產品種類繁多，更新換代也迅速，關于嵌入式操作系統的移植動作也很頻繁。嵌入式操作系統需要用C語言和匯編語言完成一些與處理器相關的代碼，將嵌入式操作系統移植到自己的硬件平臺的主要工作是修改這部分與處理器硬件相關的代碼。μC/OS?Ⅱ為開源免費嵌入式操作系統并且代碼簡單易懂，以μC/OS?Ⅱ為基礎剖析嵌入式操作系統的代碼及移植便于理解操作系統設計方法和進行二次開發。

關鍵詞： 嵌入式操作系統； μC/OS?Ⅱ； 移植； 系統設計

中圖分類號： TN919?34； TP311.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0084?03

0 引 言

現在，大家不僅擁有放在桌上處理文檔、進行工作管理的通用計算機，而且也可能擁有從大到小的各種使用嵌入式技術的電子產品。隨著電子產品的智能化，智能手機、物聯網、智能家居的出現，使用在通用計算機中操作系統通過變身慢慢出現在嵌入式產品中。操作系統與硬件緊密相關，如何將操作系統簡便的移植到各式各樣的嵌入式產品中是產品廠家急需解決的問題。了解操作系統的基本概念、基本原理，掌握操作系統的主要任務及功能的設計思路是設計人員需要具備的知識。想要移植操作系統到電子產品中，需了解實時操作系統的概念、內核結構，如何裁剪操作系統代碼[1]。本文通過對嵌入式操作系統μC/OS?Ⅱ源代碼的分析及移植，掌握多任務實時系統的基本概念、競爭與調度算法、任務間同步與通信、存儲與定時的管理。

1 嵌入式操作系統分類

運行在嵌入式硬件平臺上，對整個系統及其所操作的部件、裝置等資源進行統一協調、指揮和控制的系統軟件叫作嵌入式操作系統。其有如下特點：微型化、可裁剪性、實時性、高可靠性和易移植性。

按嵌入式操作系統應用范圍分類可分為：

（1） 通用型嵌入式操作系統，Windows CE，VxWorks，μCLinux和μC/OS；

（2） 專用型嵌入式操作系統，如移動電話的Symbian，PDA的Palm OS。

嵌入式操作系統還可分為商用型和免費型：

（1） 商用型的實時操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴，如Vxworks，QNX，WinCE，Palm OS等；

（2） 免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢，目前主要有Linux和μC/OS?Ⅱ，穩定性與服務性存在挑戰。

按嵌入式操作系統使用領域分類可分為：有線電視機頂盒領域，PowerTV；移動通信領域，EPOC；掌上計算機領域，Palm OS；數字影像領域， Digita。

2 μC/OS?Ⅱ代碼剖析

微控制器操作系統（Micro Controller OS，μC/OS）是美國人Jean J.Labrosse 1992年完成的，應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫療器械、音響設備、發動機控制、高速公路電話系統、自動提款機等。μC/OS?Ⅱ用C語言和匯編語言編寫的。其源代碼可以從網站www.micrium.com中免費下載。

μC/OS?Ⅱ操作系統內核的主要工作是對任務進程管理和調度。典型的任務一個無限循環，如圖1所示。

下面對創建任務的函數OSTaskCreate（）的源代碼做簡單的介紹。

μC/OS?II支持64個任務，每個任務一個特定的優先級。優先級越高，數字越小。當創新一個新任務時，創建任務函數OSTaskCreate（）需先獲得一個未被使用的在有效值范圍內任務優先級，初始化任務堆棧函數OSTaskStkInit（）獲得該任務的初始數據（指向任務的指針、程序狀態字等），初始化任務控制塊函數OSTCBInit（）獲取從務控制塊鏈表中一個任務控制塊并用任務的屬性對其進行賦值后將其鏈入到任務控制塊鏈表的頭部，OSSched（）函數進行任務調度。多任務操作系統的核心工作就是任務調度。所謂調度就是通過一個算法在多個任務中確定哪個任務來運行。μC/OS?Ⅱ是占先式實時多任務內核，優先級最高的任務一旦準備就緒，則擁有CPU的所有權開始投入運行[2]。μC/OS?Ⅱ進行任務調度的思想是每時每刻總是讓優先級最高的就緒任務處于運行狀態。μC/OS?Ⅱ進行任務調度的依據就是任務就緒表。任務就緒表記載就緒的任務優先級，根據任務就緒表可以判斷出哪個任務的優先級最高，進行調度[3]。

3 μC/OS?Ⅱ移植

所謂操作系統的移植，是指使一個實時操作系統能夠在某個微處理器平臺上運行。μC/OS?Ⅱ的主要代碼都是由標準的C語言寫成的，移植方便。移植的主要工作是修改部分與處理器硬件相關的代碼。雖然μC/OS?Ⅱ在設計之初已經充分考慮了可移植性，但是μC/OS?Ⅱ在讀/寫處理器寄存器時，只能通過匯編語言來實現，因此仍需要用C語言和匯編語言編寫一些與處理器硬件相關的代碼[4]。μC/OS?Ⅱ的體系結構如圖2所示，在該圖中可以很容易看出哪些代碼文件與處理器相關需要移植時修改。圖中中間有3大塊代碼文件顯示區域，左上區域為與處理器無關的代碼，右上區域為與應用有關的代碼，下面區域是與處理器相關的代碼。下面區域包括C語言OS_CPU.H和OS_CPU_C.C和匯編語言OS_CPU_A.ASM代碼文件，在移植時重點去修改這幾個文件。

3.1 修改OS_CPU.H

OS_CPU.H中的與處理器和編譯器相關的代碼包括了用#define語句定義的、與處理器相關的常數、宏以及類型、與 ARM處理器相關宏開啟/關閉中斷的代碼。 絕大多數的微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長的。但是某些處理器是用另外一種方式工作的。μC/OS?Ⅱ被設計成兩種情況都可以處理，只要在結構常量OS_STK_GROWTH中指定堆棧的生長方式即可。如設置OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從下往上增長；設置OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從上往下增長。

3.2 修改OS_CPU_C.C

OS_CPU_C.C中的與操作系統相關的函數OSTaskStkInit（），OSInitHookBegin（），OSInitHookEnd（），OSTaskCreateHook（），OSTaskDelHood（），OSTaskSwHook（），OSTaskStatHook（），OSTCBInitHook（），OSTimeTickHook（），OSTaskIdleHook（）。如系統啟動任務時，CPU從堆棧初始化OSTaskStkInit（）中獲得初始數據，如指向任務的指針、程序狀態字。不同處理器內部的寄存器個數及每個位數不同需要根據實際情況修改。

3.3 修改OS_CPU_A.ASM

OS_CPU_A.ASM中的與處理器相關函數OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（），OSTickISR（）。下面以運行優先級最高的就緒任務函數OSStartHighRdy（）為例分別移植到ARM和8086中代碼改變情況。

（1） OSStartHighRdy（）?ARM

OSStartHighRdy

LDRr4， addr_OSTCBCur

； 得到當前任務TCB地址

LDRr5， addr_OSTCBHighRdy

；得到最高優先級任務TCB地址

LDRr5， [r5] ；獲得堆棧指針

LDRsp， [r5] ；轉移到新的堆棧中

…

（2） OSStartHighRdy（）?8086

_OSStartHighRdy PROC FAR

CALL FAR PTR _OSTaskSwHook；

MOV AX， SEG _OSTCBHighRdy

MOV DS， AX

MOV AL， 1

MOV BYTE PTR DS：_OSRunning， AL

… _OSStartHighRdy ENDP

代碼移植完畢后便可以測試。根據處理器的不同，移植一個操作系統可能需要編寫或改寫50～300行的代碼。如果內核測試通過后，可以運行一些簡單的任務和時鐘節拍中斷服務子程序，一個嵌入式操作系統μC/OS?Ⅱ就移植好了。

4 結 語

μC/OS?Ⅱ源代碼簡單、易懂，容易學習和移植，在存儲空間有限及對實時性要求高的電子產品中較為普遍使用。了解了μC/OS?Ⅱ源代碼后，對于學習嵌入式其他操作系統代碼如嵌入式Linux，VxWorks等更加容易，也容易實現移植。

參考文獻

[1] 丁曉波，王三槐.嵌入式微操作系統的設計與實現[J].計算機與數字工程，2012（12）：72?75.

[2] 何海濤.μC/OS?Ⅱ中優先級搶占的時間片調度算法的實現[J].計算機系統應用，2009（11）：73?75.

[3] 王小妮，魏桂英，楊根興.嵌入式組件設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[4] 朱東亮.基于LPC1343的μC/OS?Ⅱ移植[J].中國新通信，2013（7）：111?112.

[5] 孫繼如.嵌入式實時操作系統μC/OS?Ⅱ在LPC2378上的移植及應用[J].現代電子技術，2010，33（12）：33?36.

[6] 陳祎，王宜懷.μC/OS?Ⅱ在應用系統中任務劃分方法的研究[J].現代電子技術，2008，31（20）：48?50.