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uCOS-II移植到LPC17XX方法

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1. 知识准备
要想对ucos-ii的移植有较深的理解,需要两方面知识:
(1)目标芯片,这里是lpc17xx系列芯片,它们都是基于ARMv7 Cortex-M3内核,所以这一类芯片的ucos-ii移植几乎都是一样的,要想了解Cortex-M3内核,推荐《ARM Cortex-M3权威指南》(宋岩译);
(2)ucos-ii内核原理,推荐《嵌入式实时操作系统uC/OS-II(第2版)》(邵贝贝译)。
2. 下载文件
ucos-ii移植过程主要涉及三个文件:os_cpu.h, os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c
实际上,一般情况下,我们想要移植的目标芯片前辈们都已经移植成功过了,我们需要做的就是下载就可以了。
需要下载两类文件:
(1)lpc17xx芯片启动/初始化代码:LPC17xx.h, system_LPC17xx.h, core_cm3.h, core_cm3.c, startup_LPC17xx.s和system_LPC17xx.c,这几个文件都可以从lpc官方网站lpc17xx系列芯片的任何一个项目中找到;
(2)ucos-ii移植代码:可以在Micrium官方网站中找到uCOS-II在LPC17xx上的移植代码(IAR平台)。
3. 创建工程
(1)创建文件夹UCOS_II_V289,在该目录下创建子目录APP, lpc17xx, Output, uC-CPU, UCOS-II,在Output下创建obj和list子目录,然后将第2步下载的文件添加进相应的文件夹中,文件拓扑图如下:
UCOS_II_V289
├─APP
│      hello.c

├─lpc17xx
│      core_cm3.c
│      core_cm3.h
│      LPC17xx.h
│      startup_LPC17xx.s
│      system_LPC17xx.c
│      system_LPC17xx.h
│      type.h

├─Output
│  ├─list
│  └─obj
├─uC-CPU
│      os_cpu.h
│      os_cpu_a.asm
│      os_cpu_c.c
│      os_dbg.c

└─uCOS-II
        app_cfg.h
        os_cfg.h
        os_core.c
        os_flag.c
        os_mbox.c
        os_mem.c
        os_mutex.c
        os_q.c
        os_sem.c
        os_task.c
        os_time.c
        os_tmr.c
        ucos_ii.h
其中,hello.c中的文件代码如下:
#include <LPC17xx.h>
#include <ucos_ii.h>
#define TASK_STK_SIZE 512
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];
void TaskStart(void *data);
int main(void)
{
    OSInit();
    OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0);
    OSStart();
    return 0;
}
void  TaskStart(void *data)
{
    data=data;
    OS_CPU_SysTickInit(SystemFrequency/100);
    for(;;)
    {
        OSCtxSwCtr = 0;
        OSTimeDlyHMSM(0,0,0,10);
    }
}
(2)Keil uVision4创建新工程,选择UCOS_II_V289作为工程目录,选择芯片型号,需要注意的是当提示“Copy NXP LPC17xx Startup Code to Project Folder and Add File to Project?”时,选择“否”,因为我们已经有这个文件了。创建组,添加相应文件到组,如下所示:
右击“UCOS_II_V289”,更改工程设置:
如果勾选“Run to main()”,那么在仿真的时候,就会跳过启动代码,直接到main函数。
4. 编译
编译,会报很多错误,下面一个一个改:
(1)将os_cpu_a.asm中的“public”改为“EXPORT”;
(2)将os_cpu_a.asm中的
        RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)
        THUMB
改为
        AREA OSKernelschedular,code,READONLY
        THUMB
(3)将os_cfg.h中“OS_APP_HOOKS_EN”、“OS_DEBUG_EN”和“OS_TASK_STAT_EN”设置为0;
(4)将startup_LPC17xx.s中的所有的“PendSVHandler”改为“OS_CPU_PendSVHandler”,所有的“SysTickHandler”改为“OS_CPU_SysTickHandler”。
编译通过。
5. 软件仿真调试
在步骤4中已经设置为软件仿真调试,编译成功后,即可添加断点进行软件仿真调试,查看代码运行是否符合预期。至此,移植结束。
6. 相关说明
1)启动文件与启动流程
i)启动文件
启动文件为以下几个文件core_cm3.c, core_cm3.h, LPC17xx.h, startup_LPC17xx.s, system_LPC17xx.c 和 system_LPC17xx.h,下面分别说明它们的功能。
startup_LPC17xx.s:该文件是Cortex-M3的启动汇编代码,阅读源代码不难发现,它的作用是:堆和栈的初始化以及向量表的定义。Cortex-M3的向量表其实就是一个32位整数数组,每个下标对应一个向量,该下标元素的值则是该中断服务子程序的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的,通过NVIC(向量中断控制器)中的一个重定位七寸器来指出向量表的地址。复位后,该寄存器的值为0,因此,在地址0处必须包含一张向量表,用于初始时的中断分配。
中断类型
表项地址偏移量
中断向量
0
0x00
MSP的初始值
1
0x04
复位
2
0x08
NMI
其中,向量表中的第一个元素并非中断向量,而是MSP(主堆栈寄存器)的初始值。
LPC17xx.h:该文件是CM3(Cortex-M3,下同)内核芯片的头文件,它定义了芯片寄存器的结构体。
core_cm3.h和core_cm3.c:这两个文件分别是CM3内核芯片的外围驱动头文件和源代码。
system_LPC17xx.h和system_LPC17xx.c:这两个文件为我们提供了一个系统初始化函数SystemInit(),CM3的初始化包括时钟配置、电源管理、功耗管理等。其中时钟配置比较复杂,因为他包括两个PLL倍频电路,一个是主PLL0,主要为系统和USB提供时钟,另一个是PLL1,专门为USB提供48M时钟。默认情况下,系统使用12M外部晶振,通过PLL0倍频到一个较高的频率,之后可以通过分频为CPU、外设以及可选的USB子系统提供精确的时钟。
ii)启动流程
由Cortex-M3的启动步骤可知,系统上电后,首先执行复位的5个步骤:
    ①NVIC复位,控制内核;
    ②NVIC从复位中释放内核;
    ③内核配置堆栈;
    ④从地址0x00000000处取出MSP的初始值,从地址0x00000004处取出PC的初始值——这个值是复位向量;
    ⑤运行复位中断服务子程序;
其中,复位中断服务子程序的代码如下:
Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  SystemInit
                IMPORT  __main
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP
可知,通过复位中断服务子程序,首先引导程序进入SystemInit()函数,然后进入__main(此__main是C_Library中的函数,非main())。
2SysTick定时器、SysTickInitSysTickHandler
i)SysTick定时器
Cortex-M3内核内部包含了一个简单的定时器——SysTick定时器。SysTick定时器被捆绑在NVIC中,用于产生SysTick中断。一般情况下,操作系统以及所有使用了时基的系统,都必须由硬件定时器来产生需要的“滴答”中断,作为整个系统的时基。SysTick定时器就是用来产生周期性的中断,以维持操作系统“心跳”节律的。SysTick定时器的时钟源可以是内部时钟(FCLK,CM3上的自由运行时钟),或者是外部时钟(CM3上的STCLK信号)。
SysTick定时器能产生中断,CM3为它专门开出一个中断类型,并且在向量表中有它的一席之地——SysTickHandler,它使得操作系统和其它软件系统在CM3内核的移植变得更加简单,因为在所有的CM3微处理器上,SysTick的处理方式都是相同的。
有4个寄存器控制SysTick定时器,下面只介绍其中经常用到的三个:
①SysTick控制及状态寄存器(地址:0xE000E010)
位段
名称
类型
复位值
描述
16
COUNTFLAG
R
0
如果在上次读取本寄存器后,SysTick已经计到了0,则该位为1;如果读取该位,该位自动清0
2
CLKSOURCE
R/W
0
0=外部时钟源(STCLK)
1=内核时钟源(FCLK)
1
TICKINT
R/W
0
1=SysTick倒数计数到0时产生SysTick异常请求
0=倒数到0时无动作
0
ENABLE
R/W
0
SysTick定时器的使能位
②SysTick重装载数值寄存器(地址:0xE000E014)
位段
名称
类型
复位值
描述
23:0
RELOAD
R/W
0
当倒数计数到0时,将被重装载的值
③SysTick当前数值寄存器(地址:0xE000E018)
位段
名称
类型
复位值
描述
23:0
CURRENT
R/Wc
0
读取时返回当前倒数计数的值,写它则使之清零,同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG标志
ii SysTickInit()函数
该函数用于初始化SysTick定时器,在本移植实例中,它位于os_cpu_c.c文件中,其函数名被更改为“OS_CPU_SysTickInit”,源代码如下:
void  OS_CPU_SysTickInit (INT32U  cnts)
{
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD = cnts - 1u;
   /* 设置SysTickHandler中断优先级为最低优先级           */
    OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST   = OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MIN;
     /* 使能定时器                                      */
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL  |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC | OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLE;
      /* 使能SysTickHandler中断                            */
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL  |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTEN;
}
第一行用于装载SysTick重装载数值寄存器,其他几行都有注释,在此不再解释。
iii)SysTickHandler
当SysTick定时器倒数计数到0时,将产生SysTick中断,该中断位于向量表15号位置(中断向量号:15,下同)。在本移植实例中,该中断服务子程序的名称被更改为“OS_CPU_SysTickHandler”,其位于os_cpu_c.c文件中,源码如下:
void  OS_CPU_SysTickHandler (void)
{
    OS_CPU_SR  cpu_sr;
    OS_ENTER_CRITICAL(); /* Tell uC/OS-II that we are starting an ISR  */
    OSIntNesting++;
    OS_EXIT_CRITICAL();

    OSTimeTick();  /* Call uC/OS-II's OSTimeTick()    */

    OSIntExit();        /* Tell uC/OS-II that we are leaving the ISR          */
}
(3) OSCtxSwPendSVHandler
iPendSV中断
Cortex-M3内核内置了一个重要的中断——PendSV中断(可挂起的系统调用)。与SVC中断(系统服务调用,简称系统调用)不同的是,PendSV可以像普通的中断一样被挂起,OS可以利用它“缓期执行”一个中断——直到其他重要的任务完成后才执行动作。挂起PendSV的方法是:手动往NVIC的PendSV挂起寄存器中写1,挂起后,如果该中断优先级不够高,则将缓期等待执行。
PendSV的典型功能是上下文(任务)切换。若在即将做上下文(任务)切换时发现CPU正在响应一个中断,这时,OS是不能执行上下文(任务)切换的,否则将使中断请求被延迟,而这在实时系统中是绝不能容忍的。PendSV可以完美地解决这个问题,PendSV中断会自动延迟上下文(任务)切换的请求,直到其他的中断请求都完成后才响应。为实现这个机制,需要把PendSV的优先级设置为最低,当OS需要做上下文(任务)切换时挂起一个PendSV中断即可。
PendSV中断位于向量表14号位置,在本移植实例中,该中断服务子程序的名称被更改为“OS_CPU_PendSVHandler”,其位于os_cpu_a.asm文件中,源码如下:
OS_CPU_PendSVHandler
    CPSID   I ; Prevent interruption during context switch
    MRS     R0, PSP ; PSP is process stack pointer
    CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; Skip register save the first time

    SUBS    R0, R0, #0x20    ; Save remaining regs r4-11 on process stack
    STM     R0, {R4-R11}

    LDR     R1, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    LDR     R1, [R1]
    STR     R0, [R1]    ; R0 is SP of process being switched out

                      ; At this point, entire context of process has been saved
OS_CPU_PendSVHandler_nosave
PUSH    {R14} ;
Save LR exc_return value
LDR     R0, =OSTaskSwHook;      
OSTaskSwHook();
    BLX     R0
    POP     {R14}
LDR     R0, =OSPrioCur;
OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
    LDR     R1, =OSPrioHighRdy
    LDRB    R2, [R1]
    STRB    R2, [R0]

LDR R0, =OSTCBCur  ;
OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    LDR     R1, =OSTCBHighRdy
    LDR     R2, [R1]
    STR     R2, [R0]
SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;

LDR     R0, [R2] ; R0 is new process SP;
LDM     R0, {R4-R11}  ; Restore r4-11 from new process stack
    ADDS    R0, R0, #0x20
MSR     PSP, R0 ; Load PSP with new process SP
ORR     LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack
    CPSIE   I
    BX      LR   ; Exception return will restore remaining context

    END
ii)OSCtxSw
ucos-ii中,OSCtxSw的功能是上下文(任务)切换。而由上面的介绍可知,真正的切换工作是在PendSV中断中完成的,那么可想而知,OSCtxSw只需触发一个PendSV中断即可完成上下文(任务)切换的工作。OSCtxSw位于os_cpu_a.asm文件中,源码如下:
OSCtxSw
    LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL   ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
    LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     R1, [R0]
    BX      LR

7. 工程源码
工程源码链接: UCOS_II_V289.rar (606.79 KB, 下载次数: 2)
uCOS-II 移植到LPC17XX方法.zip (175.71 KB, 下载次数: 2)

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沙发
放开那个鸡腿 发表于 2018-12-29 17:46 | 只看该作者
看看在说话吧啊
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板凳
atomi 发表于 2019-1-17 16:19

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地板
pm1981 发表于 2019-2-27 10:53 | 只看该作者
先看看再说
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