使用ADS移植uC/OS-II的實例分析

　　摘 要： 本文介紹了使用 arm 公司提供的 ads 開發(fā)工具，進行移植 uc/os-ii 的工作。結合基于 strongarm 評估板的硬件結構，對移植工作中的若干要點做了詳細分析。最后，給出了移植體會和程序技巧分析。

　　關鍵詞： ads uc/os-ii strongarm 移植

　　一、 選擇開發(fā)工具

　　在嵌入式系統(tǒng)設計中，開發(fā)工具的選取是一個重要的考慮因素，通常這是與開發(fā)項目的需求和應用背景相關。一般嵌入式開發(fā)工具包含用于目標系統(tǒng)的交叉編譯器、連接器、調試器以及輔助處理用的二進制文件分析工具等。

　　目前可以用來編譯鏈接產生 arm 處理器執(zhí)行代碼的開發(fā)工具主要有如下幾類：

　　1. arm 公司提供的 arm developer suite 集成開發(fā)環(huán)境

　　主要工具有 armasm、armcc、armlink、fromelf 等。

　　2. gnu 組織提供的 tool chain for arm

　　主要工具有 arm-elf-gcc、arm-elf-gdb、arm-elf-objcopy 等

　　3. microsoft公司提供的 embedded visual tools

　　主要工具有 clarm、clthumb、c2_arm、link、lib等

　　這里我們選用 arm 公司提供的 ads 下的工具集來編譯我們的程序和鏈接目標代碼并最終生成可執(zhí)行的二進制映像。這里介紹一下主要會用到的一些工具：

　　armasm.exe ： 匯編文件編譯器

　　armcc.exe ： c 文件編譯器

　　armlink.exe ： 目標文件連接器

　　fromelf.exe ： 用于將 axf 或者 elf 格式轉換成其他格式的文件，例如二進制映像。

　　armprof.exe ： 對調試過程中生成的 profiling 記錄文件做分析用的工具軟件

　　二、 存儲空間分配

　　1. 存儲器組織

　　strongarm 存儲器組織主要分4個部分：

　　1) 0h0000 0000 ~ 0h3fff ffff

　　用于靜態(tài)存儲器 rom、sram、flash

　　2) 0h4000 0000 ~ 0h8fff ffff

　　用于靜態(tài)存儲器和各種 i/o 器件

　　3) 0h8000 0000 ~ 0hbfff ffff

　　包括所有片內寄存器，主要用于外圍控制、系統(tǒng)控制、存儲擴展、lcd和dma。

　　4) 0hb000 0000 ~ 0hffff ffff

　　用于動態(tài)存儲器，dram、sdram等

　　2. 堆棧空間分配

　　| 0xc2000000 -------- 系統(tǒng)堆棧從 0xc2000000 開始向下增長

　　| 其中 0xc2000000 為 svc 態(tài)的堆棧棧底

　　| 0xc1000000 為 irq 態(tài)的堆棧棧底

　　| sdram (32m)

　　|

　　| 0xc0000000 -------- rw-base 這里是程序的 rw 段，包括 uc/os-ii 的任務堆棧空間

　　|

　　:

　　|

　　| 0x02000000 --------

　　|

　　| flash rom (32m)

　　| 從 0x00000000 開始依次放置跳轉指令，即異常向量表

　　| 0x00000000 -------- ro-base 這里是程序的 text 段和 ro 段

　　三、 啟動代碼

　　由于板子的 0x0 地址處是 32m 的flash rom，因此在板子加電后，會從 flash 中順序執(zhí)行啟動代碼。為了能使得 uc/os-ii 運行，啟動代碼需要完成如下工作：

　　1. 設置 異常向量表，即在 0x0 – 0x1c 位置放置7條跳轉指令(其中 0x14 為空)

　　2. 分別實現(xiàn)每種異常的處理程序，其中包括 reset_handler、undefined_handler、swi_handler、prefetch_handler、abort_handler、irq_handler、fiq_handler。

　　3. 程序從 reset_handler 進入后，需要首先進行相關硬件的初始化操作，例如 初始化sdram、cpu speed、interrupt controller、uart、timer 等。

　　4. 建立每種異常狀態(tài)下的系統(tǒng)堆棧，為了簡單起見可以只在 svc 態(tài) 和 irq 態(tài)下的建立堆棧：setup_svc_stack ，setup_irq_stack。

　　5. 強制 arm 處理器狀態(tài)轉換為 svc 管理態(tài)。

　　6. 跳轉到uc/os-ii 代碼的 main 入口，實際上是編譯鏈接后產生的 __main 入口。

　　四、 時鐘與中斷處理

　　1. 時鐘控制邏輯

　　在上圖中，有4種和系統(tǒng)時鐘相關寄存器，它們的含義如下：

　　l oscr: 一個自動遞增計數(shù)的 32 位計數(shù)器。

　　l osmr3-0: 4 個 32 位的匹配寄存器，當 oscr 的值匹配時產生中斷。

　　l ossr: 狀態(tài)寄存器，當 oscr 和 osmr 匹配時，會對 ossr 做標志。

　　l oier: 使能寄存器，表示當匹配發(fā)生時，允許在 ossr 設置一個標識位。

　　oscr 在自動累加的過程中，與osmr里面設定的那些匹配寄存器進行匹配，發(fā)現(xiàn)有匹配的事件時，就會對 ossr 中的相應位置設一個標志位“1”，表示oscr與對應的osmr 發(fā)生了匹配。當然這個匹配發(fā)生的前提是發(fā)生匹配的那個osmr在oier中的相應位被使能，否則osmr中的設置將不起作用。

　　2. 系統(tǒng)時鐘初始化流程

　　uc/os-ii 中創(chuàng)建的第一個任務將負責啟動時鐘節(jié)拍，時鐘的初始化設置流程如下：

　　1) 設置 osmr0 = x ，表示 初始化 osmr0，即當計數(shù)器為x時發(fā)生匹配

　　2) 設置 ossr = 0xf ，表示 清除所有已經發(fā)生的匹配，寫“1”清除

　　3) 設置 oier = oier_eo ，表示 使能 osmr0 來產生匹配

　　4) 設置 oscr = 0 ，表示 初始化計數(shù)器的開始值 為 0

　　3. 系統(tǒng)時鐘中斷復位

　　1) 清除 ossr 中的相應位，即向發(fā)生匹配的osmr的那個對應位寫“1”

　　2) 設置 oscr = 0 ，表示 繼續(xù)初始化計數(shù)器的值為 0

　　4. 中斷控制器相關的寄存器

　　l icpr: 中斷標示寄存器，表示了當前系統(tǒng)正處于激活狀態(tài)的中斷源。

　　l icmr: 中斷屏蔽寄存器，用來屏蔽相應位的中斷。

　　l iclr: 中斷級別設置寄存器，設定報告中斷的級別是 irq 或者是 fiq 。

　　l icip: irq 級別的中斷源寄存器，用來標識 irq 中斷發(fā)生的源設備。

　　l icfp: fiq 級別的中斷源寄存器，用來標識 fiq 中斷發(fā)生的源設備。

　　5. 中斷控制器初始化流程

　　1) 設置 icmr 屏蔽位為不屏蔽時鐘中斷 osmr0 (相應位寫“1”)

　　2) 設置 iclr 為都報告為 irq 級別(所有位寫“0”)

　　五、 移植工作總結

　　1. 難點分析

　　移植 uc/os-ii 到 strongarm 的芯片上，基本上和移植到 arm7 的芯片例如s3c4510，at91x等工作類似，因為所有的arm處理器都共享arm通用的基礎體系結構，這使得移植工作變得相對簡單，其中絕大部分工作都集中在 os_cpu_a.s 文件的移植，這個文件的實現(xiàn)集中體現(xiàn)了所要移植到處理器的體系結構和uc/os-ii 的移植原理;在這個文件里，最困難的工作主要是在 osintctxsw 和 ostickisr 這兩個函數(shù)的實現(xiàn)上。因為它們的實現(xiàn)是和移植者的移植思路以及相關硬件定時器、中斷寄存器的設置有關。在實際的移植工作中，這兩個地方也是比較容易出錯的地方。

　　osintctxsw 最重要的作用就是它完成了在中斷isr中直接進行任務切換，從而提高了實時響應的速度。它發(fā)生的時機是在 isr 執(zhí)行到 osintexit 時，如果發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級的任務因為等待的 time tick 到來獲得了執(zhí)行的條件，這樣就可以馬上被調度執(zhí)行，而不用返回被中斷的那個任務之后再進行任務切換，因為那樣的話就不夠實時了。

　　實現(xiàn) osintctxsw 的方法大致也有兩種情況：一種是通過調整 sp 堆棧指針的方法，根據(jù)所用的編譯器對于函數(shù)嵌套的處理，通過精確計算出所需要調整的 sp 位置來使得進入中斷時所作的保存現(xiàn)場的工作可以被重用。這種方法的好處是直接在函數(shù)嵌套內部發(fā)生任務切換，使得高優(yōu)先級的任務能夠最快的被調度執(zhí)行。但是這個辦法需要和具體的編譯器以及編譯參數(shù)的設置相關，需要較多技巧。

　　另一種是設置需要切換標志位的方法，在 osintctxsw 里面不發(fā)生切換，而是設置一個需要切換的標志，等函數(shù)嵌套從進入 osintexit => os_enter_critical() => osintctxsw() => os_exit_critical() => osintexit退出后，再根據(jù)標志位來判斷是否需要進行中斷級的任務切換。這種方法的好處是不需要考慮編譯器的因素，也不用做計算，但是從實時響應上不是最快，不過這種方法實現(xiàn)起來比較簡單。

　　在中斷態(tài)下進行任務切換，需要特別說明的一個問題是如何獲得被中斷任務的 lr_svc 。因為進入中斷態(tài)后，lr 變成了lr_irq ，原來任務的 lr_svc 無法在中斷態(tài)下獲得，這樣要得到 lr_svc ，就必須在中斷 isr 里面進行一次 cpu mode 強制轉換，即對 cpsr 賦值為0x000000d3 ，只有返回到 svc 態(tài)之后才能得到 原來任務的 lr ，這個對于任務切換很重要。還有一個需要留意的問題是在強制 cpsr 變成 svc 態(tài)之后，spsr 也會相應地變成 spsr_irq ，這樣就需要在強制轉變之前保存 spsr ，也就是被中斷任務中斷前的 cpsr 。

　　2. 移植中使用的編程技巧

　　ads 編譯器在編譯 c 語言的程序時，如果程序中使用了 main 函數(shù)，則編譯器將自動添加如下代碼，完成初始化堆棧和c庫等工作，工作流程如下：

　　1> 將執(zhí)行文件中的 ro 段和 rw 段從 load address 復制到 execution address

　　2> 初始化 zi 區(qū)域，用 0 來初始化變量

　　3> 跳轉到 __rt_entry 執(zhí)行如下 4 個調用

　　3.1> 調用 __rt_statckheap_init ，建立程序的堆和棧

　　3.2> 調用 __rt_lib_init ，初始化程序用到的 c 庫，并為 main 傳遞參數(shù)

　　3.3> 調用 main ，即用戶程序的入口

　　3.4> 調用 exit

　　因為系統(tǒng)復位后，在啟動代碼中已經設置了系統(tǒng)堆棧，同時也不需要使用c庫，因此可以從 __rt_entry 處直接跳轉到 uc/os-ii 的代碼中，即直接執(zhí)行 main 函數(shù)，可以用新的 __rt_entry 來作為鏈接的目標入口。

　　import main

　　export __rt_entry

　　__rt_entry

　　b main

　　這樣在啟動代碼的最后，加入一條跳轉語句：

　　bl __main

　　__main 入口是用戶程序執(zhí)行的真正入口，我們利用 armcc 編譯 c 里面的 main 入口以求得到 1> 和 2> 的代碼，使得可以支持全局變量。否則的話，必須自己來實現(xiàn)全局變量的初始化或者把這些初始化操作放到函數(shù)內部來實現(xiàn)。

　　另外一個非常有用的編程技巧是通過串口實現(xiàn)自己的 printf 輸出。 如果使用armcc編譯器的 semihosting 的話，會把 printf 通過 target 的 swi 0x123456 輸出。如果已經實現(xiàn)的 serial_putchar 之類的函數(shù)，那么可以用它來實現(xiàn) fputc 接口，也就是低級的輸出函數(shù)，這樣就可以使用 printf 來輸出了，詳細的做法在 ads 安裝目錄下面的文檔里可以找到，這里就不再贅述。