在ARM處理器上移植uCOS II的中斷處理

uCOS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫?？偭考s200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植到任何一種其它的CPU上。

uCOS II最多可支持56個任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，并支持Semaphore (信號量)、Mailbox (郵箱)、MessageQueue(消息隊列)等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制。與大多商用RTOS不同的是，uCOS II公開所有的源代碼.并可以免費(fèi)獲得，只對商業(yè)應(yīng)用收取少量License費(fèi)用。

uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3個文件有關(guān)，中斷處理的移植占據(jù)了很大一部分內(nèi)容。作為移植的一個重點(diǎn)，本文以標(biāo)準(zhǔn)中斷(IRQ)為例討論了移植中的中斷處理。

1 uCOS II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

uCOS II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1。應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層.每個任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此uCOS II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)的代碼。uCOS II的移植需要滿足以下要求：

1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼：可以使用C調(diào)用進(jìn)入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼)；

2)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；

3)處理器需能容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

4)處理器需有能在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

移植uCOS II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP(Board Support Package)的編寫。uCOS II處理器無關(guān)的代碼提供uCOS II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

2 uCOS II移植過程中需要注意的幾個問題

uCOS II移植的中斷處理跟ARM體系結(jié)構(gòu)和uCOS II處理中斷的過程有關(guān)，必須注意這2個方面的問題才能高效移植。

2.1 ARM 處理器7種操作模式

用戶模式(USER MODE)是ARM 通常執(zhí)行狀態(tài)，用于執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序；快速中斷模式(FIQ MODE)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或通道處理；中斷模式(IRQ MODE)用于通用中斷處理；超級用戶模式(SVC MODE)是一種操作系統(tǒng)受保護(hù)的模式：數(shù)據(jù)中止模式(ABT MODE)指令預(yù)取指中止、數(shù)據(jù)中止時進(jìn)入該模式；未定義模式(UND MODE)當(dāng)執(zhí)行未定義的指令時進(jìn)入該模式；系統(tǒng)模式(SYS MODE)是操作系統(tǒng)一種特許的用戶模式。

除了用戶模式之外，其他模式都?xì)w為特權(quán)模式，特權(quán)模式用于中斷服務(wù)、異常或者訪問受保護(hù)的資源

特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式之外另5種模式又稱為異常模式，在移植過程中必須設(shè)置中斷向量表來處理異常。uCOS II的移植主要處理標(biāo)準(zhǔn)中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷(SWI)。

2.2 uCOS II中斷響應(yīng)的過程

以IRQ中斷為例，假設(shè)CRPS中I_bit位為0，當(dāng)有IRQ中斷時，CPU強(qiáng)制進(jìn)入IRQ模式，當(dāng)前的CPSR拷貝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以關(guān)閉IRQ中斷。數(shù)據(jù)保存之后，CPU強(qiáng)行從0X00000018開始執(zhí)行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址， 然后執(zhí)行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被調(diào)用來檢測中斷源并執(zhí)行中斷。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR()又調(diào)用OSIntExit()來確認(rèn)是否有比ISR優(yōu)先級更高的任務(wù)要執(zhí)行。如果當(dāng)前中斷任務(wù)仍然是優(yōu)先級最高的任務(wù)，OSIntExit()返回，OS_CPU_IRQ_ISR()彈出中斷堆棧，如果優(yōu)先級更高的任務(wù)需要執(zhí)行，OSIntExit()調(diào)用OSIntCtxSw()執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)。

2.3 uCOS II的臨界段代碼

uCOS II使用關(guān)中斷來保護(hù)臨界代碼。它定義了2個宏來開中斷(OS_EXIT_CRITICAL())，關(guān)中斷(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3種方法來實(shí)現(xiàn)，uCOS II建議使用第3種方法可以保存當(dāng)前處理器狀態(tài)的值。

3 uCOS II移植過程中的中斷處理

uCOS II中斷處理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有關(guān)，其移植過程主要有以下幾個步驟。

3.1 在CRT.S中設(shè)置中斷向量表

ARM的中斷向量表位于ROM 的最底部，其地址范圍為0X00000000～0X0000001C，設(shè)置如下：

VECTORS:LDR PC,RESET_ADDR

LDR PC,UNDEF_ADDR

LDR PC,SWI_ADDR

LDR PC,PABT_ADDR

LDR PC,DABT_ADDR

NOP /*保留向量*/

LDR PC,IRQ_ADDR

LDR PC,FIQ_ADDR

RESET_ADDR:. WORD RESET_HANDLER

UNDEF_ADDR:.WORD UNDEF—HANDLER

SWI_ADDR:.WORD SWI HANDLER

PABT_ADDR:.WORD PABT_HANDLER

DABT_ADDR:.WORD DABT_ HANDLER

.WORD 0 /*保留地址*/

IRQ_ADDR:.WORD IRQ_HANDLER

FIQ_ADDR:.WORD FIQ HANDLER

UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

SWI_HANDLER: B SWI_HANDLER

PABT_HANDLER: B PABT_HANDLER

DABT_HANDLER: B DABT_HANDLER

IRQ_HANDLER: B OS_CPU_IRQ_ISR

/*跳轉(zhuǎn)到OS_CPU_IRQ_ISR(在OS_CPU_A.S中)*/

FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR

/*跳轉(zhuǎn)到OS_CPU_FIQ_ISR(在OS_CPU_A.S中) */

這里設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)中斷異常(IRQ)和快速中斷異常(FIQ)的中斷入口，其余異常都設(shè)置為死循環(huán)，當(dāng)發(fā)生這些異常的時候，必須使系統(tǒng)復(fù)位才能退出死循環(huán)。

3.2 移植中斷任務(wù)切換

中斷任務(wù)切換(OSIntCtxSw)和任務(wù)切換函數(shù)(OSCtxSw)比較相似，主要有以下幾步組成：

1)調(diào)用OSTask SwHook()

2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy

3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy

4)SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr

//獲取高優(yōu)先級的任務(wù)堆棧指針

5)從高優(yōu)先級的任務(wù)的堆棧中彈出高優(yōu)先級的任務(wù)上下文

6)執(zhí)行高優(yōu)先級的任務(wù)