一、uCOS II在ARM處理器上移植過(guò)程中的中斷處理

　　uCOS II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實(shí)時(shí)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(yǔ)言編寫。總量約200行的匯編語(yǔ)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(gè)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(jí)最高的任務(wù)，并支持Semaphore （信號(hào)量）、Mailbox （郵箱）、MessageQueue（消息隊(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)系統(tǒng)的頂層。每個(gè)任務(wù)都可以認(rèn)為自己獨(dú)占了CPU，因而可以設(shè)計(jì)成為一個(gè)無(wú)限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語(yǔ)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(yǔ)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(gè)定時(shí)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(wú)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(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)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(guò)程有關(guān)，必須注意這2個(gè)方面的問(wèn)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(jí)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(shí)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(shí)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(wèn)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(guò)程中必須設(shè)置中斷向量表來(lái)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(guò)程

　　以IRQ中斷為例，假設(shè)CRPS中I_bit位為0，當(dāng)有IRQ中斷時(shí)，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(lái)檢測(cè)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(lái)確認(rèn)是否有比ISR優(yōu)先級(jí)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(jí)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(jí)更高的任務(wù)需要執(zhí)行，OSIntExit（）調(diào)用OSIntCtxSw（）執(zhí)行優(yōu)先級(jí)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(lái)保護(hù)臨界代碼。它定義了2個(gè)宏來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)程主要有以下幾個(gè)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，F(xiàn)IQ_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(shí)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(jí)的任務(wù)堆棧指針

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

　　6）執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)

　　3.3 移植中斷服務(wù)程序

　　以IRQ中斷為例中斷服務(wù)程序（OS_CPU_IRQ_ISR）主要依據(jù)上面所描述的“uCOS II中斷響應(yīng)的過(guò)程”編寫，其主要代碼如下：

　　……

　　LDR R0，OS_IntNesting

　　LDRB R1，［R0］

　　ADD R1，R1，#1

　　STRB R1，［R0］

　　CMP R1，#l?

　　BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

　　LDR R4，OS_TCBCur

　　LDR R5，［R4］

　　STR SP，［R5］

　　OS_CPU_IRQ_ISR_1：

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | IRQ32_MODE）

　　//切換到SVC模式

　　LDR R0，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　MSR CPSR_c，#（NO_INT | SVC32_MODE）

　　//切換到SVC模式

　　LDRR0，OS_IntExit //OSIntExit（）

　　MOV LR，PC

　　BX R0

　　……

　　在代碼中省略了現(xiàn)場(chǎng)工作寄存器的保護(hù)與恢復(fù)及工作模式的切換。

　　3.4 移植中斷處理程序

　　以IRQ中斷為例，移植中斷處理程序：

　　C程序

　　void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（void）{PFNCT pfnct; //定義中斷函數(shù)指針pfnct=（PFNCT）VICVectAddr; //獲取函數(shù)地址while（pfnct！=（PFNCT）0）{（*pfnct）（）； //調(diào)用中斷函數(shù)pfnct=（PFNCT）VICVectAddr； //獲取新的中斷函數(shù)} //所有中斷都執(zhí)行完畢退出}

　　中斷處理程序依賴中斷控制器的中斷響應(yīng)順序，所以u(píng)COS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）歸屬于用戶程序的一部分。在中斷返回之前，中斷處理程序要處理完所有的中斷響應(yīng)，以避免在多個(gè)中斷同時(shí)響應(yīng)或中斷處理過(guò)程中響應(yīng)中斷的情況下， 進(jìn)入OS_CPU_IRQ_ISR （） 和退出OS_CPU_IRQ_ISR（）時(shí)，OS_CPU_IRQ_ISR（）耗盡保存CPU寄存器的堆棧空間。

　　另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）中不要清CPSR的I位來(lái)開放中斷，因?yàn)闆]有必要使用中斷嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler（）在返回之前會(huì)檢查并處理所有的中斷。

　　3.5 編寫中斷函數(shù)

　　中斷函數(shù)一般采用C語(yǔ)言編寫，uCOS II建議中斷函數(shù)應(yīng)盡量短，一般做法是在中斷函數(shù)中緩存數(shù)據(jù)，給任務(wù)發(fā)送一個(gè)信號(hào)來(lái)處理數(shù)據(jù)。中斷函數(shù)的地址在系統(tǒng)初始化的時(shí)候要置人中斷向量寄存器（VICVectAddr0～15）。由于向量中斷控制器（VIC）的特殊結(jié)構(gòu)，在中斷函數(shù)中要寫一次中斷向量寄存器（VICVectAddr）。

　　4 中斷處理的應(yīng)用示例

　　uCOS II要提供周期性信號(hào)源，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)。節(jié)拍率應(yīng)為10～100 Hz。時(shí)鐘節(jié)拍源可以由專門的硬件定時(shí)器產(chǎn)生，以下就以IRQ中斷方式產(chǎn)生節(jié)拍源為示例。

　　初始化中斷控制器：

　　C程序

　　void VICInit（void）{VICIntEnClr=0xfffff;VICDefVectAddr=-（INT32U）Non_Vect_IRQ_Handler;VICVectAddr0= （INT32U）OSTickISR;VICVectCntl0= （0x20 | 0x04）;VICIntEnable= 1《《4;}

　　定時(shí)器0中斷函數(shù)：

　　C程序

　　void OSTickISR（void）{TO_IR = 0xff；OSTimeTick（）； //調(diào)用OSTimeTick（）VICVectAddr=0; //通知中斷控制器中斷結(jié)束}

　　當(dāng)定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)調(diào)用OS_CPU_IRQ_ISR Handler（），得到OSTickISR（）的地址并執(zhí)行，在OSTickISR（）中調(diào)用OSTimeTick（）為uCOS II提供周期性信號(hào)源。

　　此代碼在GNU工具鏈ARM-GCC下編譯通過(guò)，并在EasyARM2100開發(fā)實(shí)驗(yàn)板上得到驗(yàn)證。

　　通過(guò)示例講述了在uCOS II移植過(guò)程中的中斷處理所需要注意的幾個(gè)問(wèn)題和通用方法，經(jīng)筆者在GNU工具鏈下編譯、調(diào)試，并在實(shí)驗(yàn)板上得到很好的驗(yàn)證。這種移植方案的中斷函數(shù)都使用C語(yǔ)言編寫，具有較好的移植性，有利于對(duì)不同需求的用戶進(jìn)行中斷擴(kuò)充，增強(qiáng)了中斷嵌套時(shí)uCOS II運(yùn)行的穩(wěn)定性，使移植具有更好的通用性。

　　二、μCOS-II 在ARM處理器上的移植要點(diǎn)

　　1． 設(shè)置OS_CPU.H 中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼

　　/********************************************************************

　　*

　　* 與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型

　　*********************************************************************

　　/

　　typedef unsigned char BOOLEAN;

　　typedef unsigned char INT8U; //8 位無(wú)符號(hào)整數(shù)

　　typedef signed char INT8S; //8 位有符號(hào)整數(shù)

　　typedef unsigned int INT16U; //16 位無(wú)符號(hào)整數(shù)

　　typedef signed int INT16S; //16 位有符號(hào)整數(shù)

　　typedef unsigned long INT32U; //32 位無(wú)符號(hào)整數(shù)

　　typedef signed long INT32S; //32 位有符號(hào)整數(shù)

　　typedef float FP32; //單精度浮點(diǎn)數(shù)

　　typedef double FP64; //雙精度浮點(diǎn)數(shù)

　　typedef unsigned int OS_STK; //堆棧入口寬度為16 位

　　#define BYTE INT8S //字節(jié)型

　　#define UBYTE INT8U //為了與uC/OS V1.xx.兼容

　　#define WORD INT16S // 。。. uC/OS-II.

　　#define UWORD INT16U

　　#define LONG INT32S

　　#define ULONG INT32U

　　/********************************************************************

　
　* 與ARM 處理器相關(guān)的代碼

　　********************************************************************/

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） ARMDisableInt（） /*關(guān)閉中斷*/

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） ARMEnableInt（） /*開啟中斷*/

　　/* 設(shè)施堆棧的增長(zhǎng)方向*/

　　#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)*/

　　2． 用C 語(yǔ)言編寫六個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU_C.C）

　　void *OSTaskStkInit （void （*task）（void *pd），void *pdata， void *ptos， INT16U opt）

　　{

　　unsigned int *stk;

　　opt = opt; /* 因?yàn)椤畂pt’ 變量沒有用到，防止編譯器產(chǎn)生警告*/

　　stk = （unsigned int *）ptos; /*裝載堆棧指針*/

　　/* 為新任務(wù)創(chuàng)建上下文*/

　　*--stk = （unsigned int） task; /* pc */

　　*--stk = （unsigned int） task; /* lr */

　　*--stk = 0; /* r12 */

　　*--stk = 0; /* r11 */

　　*--stk = 0; /* r10 */

　　*--stk = 0; /* r9 */

　　*--stk = 0; /* r8 */

　　*--stk = 0; /* r7 */

　　*--stk = 0; /* r6 */

　　*--stk = 0; /* r5 */

　　*--stk = 0; /* r4 */

　　*--stk = 0; /* r3 */

　　*--stk = 0; /* r2 */

　　*--stk = 0; /* r1 */

　　*--stk = （unsigned int） pdata; /* r0 */

　　*--stk = （SVC32MODE|0x0）; /* cpsr IRQ， 關(guān)閉FIQ */

　　*--stk = （SVC32MODE|0x0）; /* spsr IRQ， 關(guān)閉FIQ */

　　return （（void *）stk）;

　　}

　　void OSTaskCreateHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告

　　}

　　void OSTaskDelHook （OS_TCB *ptcb）

　　{

　　ptcb=ptcb;//防止編譯時(shí)出現(xiàn)警告

　　}

　　void OSTaskSwHook （void）

　　void OSTaskStatHook （void）

　　void OSTimeTickHook （void）

　　后5 個(gè)函數(shù)為鉤子函數(shù)，可以不加代碼。

　　3． 用匯編語(yǔ)言編寫四個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)（OS_CPU.ASM）

　　（1）OSStartHighRdy（）；運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)

　　LDR r4， addr_OSTCBCur ; 得到當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址

　　LDR r5， addr_OSTCBHighRdy ; 得到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB 地址

　　LDR r5， ［r5］ ;得到堆棧指針

　　LDR sp， ［r5］ ;切換到新的堆棧

　　STR r5， ［r4］ ; 設(shè)置新的當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR SPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r4} ; 從棧頂?shù)玫叫碌穆暶?/p>

　　MSR CPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r0-r12， lr， pc } ; 開始新的任務(wù)

　　END

　　（2）OSCtxSw（）；任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存PC 指針

　　STMFD sp！， {lr} ; 保存lr 指針

　　STMFD sp！， {r0-r12} ;保存寄存器文件和ret 地址

　　MRS r4， CPSR

　　STMFD sp！， {r4} ; 保存當(dāng)前PSR

　　MRS r4， SPSR

　　STMFD sp！， {r4}

　　; OSPrioCur = OSPrioHighRdy

　　LDR r4， addr_OSPrioCur

　　LDR r5， addr_OSPrioHighRdy

　　LDRB r6， ［r5］

　　STRB r6， ［r4］

　　; 得到當(dāng)前任務(wù)的TCB 地址

　　LDR r4， addr_OSTCBCur

　　LDR r5， ［r4］

　　STR sp， ［r5］ ; 保存棧指針在占先任務(wù)的TCB 上

　　; 取得高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB 地址

　　LDR r6， addr_OSTCBHighRdy

　　LDR r6， ［r6］

　　LDR sp， ［r6］ ;得到新任務(wù)的堆棧指針

　　; OSTCBCur = OSTCBHighRdy

　　STR r6， ［r4］ ; 設(shè)置當(dāng)前新任務(wù)的TCB 地址set new current task TCB

　　address

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR SPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r4}

　　MSR CPSR_cxsf， r4

　　LDMFD sp！， {r0-r12， lr， pc}

　　（3）OSIntCtxSw（）；中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)

　　LDMIA sp！，{a1-v1， lr}

　　SUBS pc， lr， #4

　　SUB lr， lr， #4

　　MOV r12， lr

　　MRS lr， SPSR

　　AND lr， lr， #0xFFFFFFE0

　　ORR lr， lr， #0xD3

　　MSR CPSR_cxsf， lr

　　（4）OSTickISR（）；中斷服務(wù)函數(shù)

　　STMDB sp！，{r0-r11，lr}

　　;interrupt disable（not nessary）

　　mrs r0， CPSR

　　orr r0， r0， #0x80 ; 設(shè)置中斷禁止標(biāo)

　　msr CPSR_cxsf， r0 ;中斷結(jié)束

　　; rI_ISPC= BIT_TIMER0;

　　LDR r0， =I_ISPC

　　LDR r1， =BIT_TIMER0

　　STR r1， ［r0］

　　BL IrqStart

　　BL OSTimeTick

　　BL IrqFinish

　　LDR r0， =need_to_swap_context

　　LDR r2， ［r0］

　　CMP r2， #1

　　LDREQ pc， =_CON_SW

　　完成了上述工作以后，μCOS-II 就可以正常運(yùn)行在ARM 處理器上了。