摘要：本文简介了一种实时多任务内核μC/OS-Ⅱ。并根据S3C44B0X芯片的硬件特性，给出了一种把μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上的方案。
关键词：实时多任务内核；μC/OS-Ⅱ；S3C44B0X；移植

    嵌入式实时多任务内核又叫做实时操作系统RTOS（Real-Time Operating System）。与通用操作系统相比较，它具有可裁减、低资源占用、低功耗等特点。而与传统的嵌入式设计方法相比，实时多任务内核的运用允许程序员将具体的应用程序模块化，更易于项目的开发。
    目前约有上百家RTOS生产商，提供面向8位、16位、32位以及64位微处理器的RTOS产品。本文介绍一种免费的实时内核μC/OS-Ⅱ，并给出一种将其植入S3C44B0X的方案。

1.  μC/OS-Ⅱ简介

        嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ是基于优先级的抢占式实时多任务操作系统。它包含实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息队列）和内存管理等功能。绝大部分代码用C语言写成，与硬件相关部分用汇编语言编写，而且它的源代码是公开免费的。
        μC/OS-Ⅱ是面向中小型嵌入式系统的。包含全部功能模块的内核大约为10KB，如果经过裁减只保留核心代码，则可压缩到3KB左右。RAM的应用量与系统中的任务数有关，任务的堆栈要占用大量的RAM空间，堆栈的大小取决于任务的局部变量、缓冲区大小及可能的中断嵌套层数。应用程序的精度由系统的时钟节拍决定，μC/OS-Ⅱ要用户提供周期性的时钟信号源，用于实现时间延时和确认超时。
        μC/OS-Ⅱ内核的工作原理如下：首先把CPU初始化，再进行操作系统初始化。主要完成任务控制块（TCB）初始化、TCB优先级表初始化、TCB链表初始化、事件控制块ECB链表初始化和空任务的创建等；然后开始创建新任务，并可在新创建的任务中再创建其它的新任务；最后调用OSSTART（）函数启动多任务调度。在多任务调度开始后，启动时钟节拍源开始计时，此节拍源给系统提供周期性的时钟中断信号，实现延时和超时确认。当时钟中断来临时，系统把正在执行的任务挂起，保护现场，进行中断处理，判断有无任务延时到期，若有则使该任务进入就绪态，并把所有进入就绪态的任务的优先级进行比较，通过任务切换去执行最高优先级的任务。若没有别的任务进入就绪态，则恢复现场继续执行原任务。另一种的调度方式是任务级的调度，是通过发软中断命令或依靠处理器在任务执行中调度。如任务要等待信号量或一个正在执行的任务被悬挂起来时，就需要在此任务中调度，找出目前处于就绪态的优先级最高的任务去执行。当没有任何任务进入就绪态时，就去执行新任务。

2.   S3C44B0X介绍

        SAMSUNG（三星）S3C44B0X 微处理器采用0.25μm CMOS工艺和SAMBA11总线结构(SAMSUNG ARM CPU嵌入式控制器总线结构），特别适用于低成本、低功耗的应用。其CPU采用ARM公司的ARM7TDMI RISC结构。ARM7TDMI系统扩充包括thumb协处理器、片上ICE中断调试支持和32位乘法器。S3C44B0X通过在ARM7TDMI内容基础上扩展一系列完整的通用外围器件。其特点如下：

•  采用ARM7TDMI内核，I/O电压3.3V，内核电压2.5V；
•  内置锁相环（PLL），系统工作主频66MHZ；
•  4种工作模式(正常、慢速、闲置和停止)，可以实现电源管理以降低系统功耗；
•  8KB的系统高速缓存（CACHE），极大地提高了系统的运行速度；
•  支持8个MEMORY BANK，最大外部存储空间达256MB，并支持SDRAM；
•  内置彩色LCD控制器；
•  2路异步串口（UART）；
•  71个通用I/O口，包括8个外部中断源；
•  8路10位A/D转换器； 
• 实时时钟（RTC）和看门狗电路（WATCHDOG）；
  
  

3.  μC/OS-Ⅱ的移植

        要实现μC/OS-Ⅱ的移植，需要进行以下几项工作：
(1)  在OS_CPU.H中设置一个常量值；
(2)  在OS_CPU.H中声明10个数据类型；
(3)  在OS_CPU.H中声明3个宏定义；
(4)  在OS_CPU_C.C中编写6个简单函数；
(5)  在OS_CPU_A.ASM中改写4个汇编语言函数；
3.1  OS_CPU.H文件
3.1.1  数据类型
        定义S3C44B0X中的数据类型
#define  unsigned  char  BOOLEAN;  
#define  unsigned  char  INT8U;       /*8位无符号整数*/
#define  signed    char  INT8S;       /*8位有符号整数*/
#define  unsigned  int   INT16U;      /*16位无符号整数*/
#define  signed    int   INT16S;      /*16位有符号整数*/
#define  unsigned  long  INT32U;     /*32位无符号整数*/
#define  signed    long  INT32S;     /*32位有符号整数*/
#define  float           FP32;        /*单精度浮点数*/
#define  double         FP64;        /*双精度浮点数*/
S3C44B0X中的堆栈数据类型为16位，定义为：
typedef  unsigned  int   OS_STK;
在S3C44B0X中所有堆栈必需用OS_STK声明；
3.1.2  代码临界区
RTOS在进入系统临界区前必须关闭中断，退出临界区后再开中断。μC/OS-Ⅱ定义了两个宏来开关中断：OS_ENTER_CRITICAL（） 和OS_EXIT_CRITICAL（）。
为实现开关中断，宏定义为：
#define  OS_ENTER_CRITICAL（） ARMDisableInt()  /*关闭中断*/
#define  OS_EXIT_CRITICAL（）   ARMEnableInt()  /*开启中断*/
3.1.3 堆栈增长方向
在μC/OS-Ⅱ中，用OS_STK_GROWTH来设置堆栈的增长方向，OS_STK_GROWTH为0表示堆栈从低地址向高地址增长；OS_STK_GROWTH为1表示堆栈从高地址向低地址增长；S3C44B0X中，堆栈是由高向低递减的，因此定义宏：
#define  OS_STK_GROWTH  1；
3.2  OS_CPU_C.C
在此文件中，实际只需修改OsTaskStkInt()函数。OsTaskStkInt()由任务创建函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateEXT()调用，用来初始化任务的堆栈。OsTaskStkInt()与调用它的函数由3个参数进行传递：任务代码起始地址（task），参数指针（pdata），任务堆栈顶地址（ptos）。
Void OSTaskStkInt (void(*task)(void *pd),void *pdata,void *ptos, INT16U opt)
{unsigned  int  *stk;
 stk=(unsigned int*)ptos;        /*装载堆栈指针*/
*--stk=(unsigned int) task;       /*pc*/
*--stk=(unsigned int) task;       /*lr*/
*--stk=0;                     /*r1-r12*/
*--stk=(unsigned int) pdata;      /*r0*/
*--stk=(SVC32MODE/0x0);     /*cpsr  IRQ,关闭FIQ*/
*--stk=(SVC32MODE/0x0);     /*spsr  IRQ,关闭FIQ*/
return ((void*)stk);
}
void  OStaskCreateHook (OS_TCB  *ptcb)
void  OStaskDelHook (OS_TCB  *ptcb)
void  OStaskSwHook (void)
void  OStaskStatHook (void)
void  OSTimeTickHook (void)
后5个函数为钩子函数，可以不加代码。
3.3  OS_CPU_A.ASM文件
在此文件中需改写4个函数：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()。由于篇幅所限，避免流水线冲突的空指令已省略。
3.3.1 OSStartHighRdy()函数
该函数由Osstart()函数调用，功能是运行优先级最高的就绪任务。其过程为：获得优先级最高任务的TCB地址-设置堆栈指针-恢复任务环境-中断返回-运行新任务。
LDR      r4,addr_OSTCBCur;          /*得到当前任务的TCB地址*/
LDR      r5,addr_OSTCBHighRdy;      /*得到高优先级任务的TCB地址*/
LDR      r5,[r5];                     /*得到堆栈指针*/
LDR      sp,[r5];                     /*切换到新的堆栈*/
STR      r5,[r4];                     /*设置新的当前任务的TCB地址*/
LDMFD  sp! , {r4};                   /*从栈顶得到新的声明*/
LDMFD  sp! , {r0-r12,lr,pc};            /*恢复任务环境*/
RETI ;                              /*中断返回，开始新的任务*/
3.3.2 OSCtxSw()函数
OSCtxSw()函数是一个任务级的任务切换函数。软中断向量指向此函数。在μC/OS-Ⅱ中，如果任务调用了某个函数，而该函数的执行结果可能造成系统任务的重新调度，则在函数的末尾会调用OSSched(),OSSched()查找当前就绪最高优先级的任务，如果不是当前任务，则找该任务的TCB地址，并复制到变量OSTcbHighRdy()中，然后通过宏OS_TASK_SW（）执行软中断调用OSCtxSw()进行任务切换。变量OSTCBCur始终包含指向当前运行任务TCB的指针，代码如下：
STMFD  sp!,{lr};                     /*保存PC指针*/
STMFD  sp!,{r0-r12};                 /*保存寄存器文件和RET地址*/
STMFD  sp!,{r4};                     /*保存当前PSR*/
LDR     r4,addr_OSTCBCur;           /*得到当前任务的TCB地址*/
STR      sp,[r5];                     /*保存栈指针在占先任务的TCB上*/
    LDR     r6,addr_OSTCBHighRdy;       /*取得高优先级任务的TCB地址*/
LDR     sp,[r6];                      /*得到新任务的堆栈指针*/
    LDMFD   sp!,{r4} ;                    /*设置当前新任务的TCB地址*/
3.3.3  OSIntCtxSw()函数
OSIntCtxSw()函数进行中断级任务切换。中断可能引起任务切换，在中断服务程序的最后会调用OSIntExit()函数检查任务就绪状态，如果需要任务切换则调用OSIntCtxSw()函数。值得注意的是，产生中断后，CPU寄存器会被自动保存，所以，在此函数中不再进行环境保存。
LDMIA    sp!,{a1-v1,lr}
SUBS      pc,lr,#4
MOV      r12,lr
MRS       lr,SPSR
AND       lr,lr,#0xFFFFFFE0
MSR       CPSR_cxsf,lr
3.3.4  OSTickISR()函数
      OSTickISR()是中断处理函数，其主要任务是处理时钟中断，调用系统实现的OSTimeTick()函数，如果有等待时钟信号的高优先级任务，则需要在中断级别上调度执行。其代码如下：
        ORR       r0,r0,#0x80；                 /*设置中断禁止标志*/
        MSR       CPSR_cxsf,r0；               /*中断结束*/
        LDR       r0,=I_ISPC
        LDR       r1,=BIT_TIMER0
        LDREQ    pc,=_CON_SW

4.  结束语

RTOS的使用使得应用程序的设计过程大为简化。并且程序的可读性、可靠性、可扩展性有很大的改善。本文从实际出发，给出一种免费RTOS内核μC/OS-Ⅱ在ARM单片机S3C44B0X上的移植方案，并在实际应用中实现。

参考文献：

[1]  S3C44B0X  MICROPROCESSOR  Datasheet.  Samsung  Electronics  Aug  2001.
[2]  JEAN J.LABROSSE著,邵贝贝译.μC/OS-Ⅱ源码公开的实时嵌入式操作系统.中国电力出版社,2001.