（通信与信息系统专业论文）μcosⅡ的移植与堆栈改进.pdf

武汉碑j 大学硕 学位论文 摘要 随着计算机和通信技术的快速发展，嵌入式系统以其简洁、高效等优点越 来越多地受到人们的广泛关注。嵌入式产品已经成为了信息产业的主流，被广泛 应用于移动计算设备、网络设备、工摔设备、信息家电、汽车电子、娱跞没施、 仪器仪表等领域。 开发一个嵌入式应用系统需要嵌入式硬件、实时操作系统及相应的软件一l ： 具。其中一个非常重要的步骤，就是操作系统在微处理器上的移植。本文的重 点便是操作系统c o s 1 1 在s 3 c 4 4 b o x 微处理器上的移植及系统测试。 a r m 微处理作为目前嵌入式市场上应用最广泛的嵌入式微处理器，有着很 多不同的种类，本课题采用的便是其中的一种：a r m 7 t d m i 。本课题采用的嵌 入式硬件是基于a r m 架构的s a m s t m gs 3 c 4 4 b o x 芯片。它一方面具有a r m 处 理器的所有优点：低功耗、高性能，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适 合嵌入式产品的开发。 本课题选用的是源代码公开的实时操作系统pc o s l i 。此操作系统移植性 好，易剪裁，属于可剥夺的实时多线程内核，面且源代码公开。 本文首先将介绍嵌入式系统的历史、现状、发展方向和一些基本概念。接 着对a r m 核：吝片的应用领域、a r m 指令集、寄存器组织做洋细介绍。然后将 洋细分析u c o s i i 的特点与相关系统结构、任务的状态与调度、系统的通信机 制。接下来将简单介绍硬件开发环境和l a c o s 1 i 硬件和软件体系结构，提出移 植过程中存在的主要问题，并给出pc o s i i 在s 3 c 4 4 b o x 微处理器上的移植过 程。移植过程主要集中在三个文件的重新编写上：1 个头文件o sc p u h ，1 个汇 编文件o sc p ua a s m 和1 个c 代码文件o sc p u c 。文章将给出相关函数的 模型和源代码，并附上注释和详细说明。 移植完成后，本文将设计应用程序对移植后的系统进行测试，以保证系统 能正常运行。在确保系统正常运幸亍的情况下，本文还提出了一种任务堆栈的改 进方法，并给出了流程图。该方法是将任务堆栈和中断堆栈分离，可减小系统 对于r a m 的需求。 最后，本文将总结pc o s i i 在不同：吝片上进行移植的一般方法和应该注意 的相关问题。 关键字：“c o s 一1 i ，a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，移植，嵌入式系统 武汉理_ 【大学硕士- f 寸论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t ea n dc o m m u n i c a l i o n st e c h n o l o g y ，t h e e m b e d d e ds y s t e mr e c e i v e sm o r ea n dm o r ep e o p l e se x t e n s i v en o t i c e ，i th a saf e wo f v i r t u e ，f o re x a m p l e ，s u c c i n c t ，h i g h e f f i c i e n te t c a tt h es a m et i m ee m b e d d e dp r o d u c t s h a st u r n e di n t ot h em a i n s t r e a mo fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，w h i c hh a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt om a n yf i e l d s ，s u c ha sm o b i l ec o m p u t i n gd e v i c e ，n e t w o r kd e v i c e ，i n d u s t r i a l d e v i c e ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ，a m u s e m e n te s t a b l i s h m e n t ， a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s ，e t c d e v e l o p i n g a l le m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a mn e e de m b e d d e dh a r d w a r e ， r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r et o o l ，a n dav e r yi m p o r t a n t s t e pi st h ep o r to f a no p e r a t i n gs y s t e mo i lt h em i c r o p r o c e s s o r t h i st h e s i sl a y sas t r o n g e m p h a s i so nt h ep o r to ft h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m uc o s i io ns 3 c 4 4 b o x m i c r o p r o c e s s o ra n ds y s t e mt e s l a r mi su s e da st h em o s te x t e n s i v ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ro ft h ee m b e d d e d m a r k e ta tp r e s e n lt h e r ea r em a n yd i f f e r e n tk i n d s ，w h a tt h i ss u b j e c ta d o p t si so n ek i n d a m o n gt h e m ：a r m 7 d m i t h ee m b e d d e dh a r d w a r e t h a t t h i ss u b j e c ta d o p t si s s a m s u n gs 3 c 4 4 b o xc h i pb u i l tu po nt h eb a s i so fa r m t h ec h i ph a sa l lt h ev i r t u e s o ft h ea r mp r o c e s s o r ：l o wp o w e rw a s t ea n dh i 曲- p e r f o r m a n c e a n dt h i sc h i ph a s a b u n d a n c eo fo n c h i pr e s o u r c e ，t h e r e f o r e ，i t sv e r yf i tf o re m b e d d e dp r o d u c t d e v e l o p i n g t h i ss u b j e c ts e l e c t st h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt ac o s 一1 i ，w h i c hi sah i g h l y p o r t a b t e ，v e r ys e a l a b l e ，p r e e m p t i v er e a l t i m e ，m u l t i t a s k i n gk e r n e l a n di t ss o u r c e c o d ei so p e n f i r s t l y , t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h eh i s t o r y , c u r r e n ts t a t u s ，t h ed e v e l o p m e n ta n d s o m ee s s e n t i a lc o n c e p t i o n so fe m b e d d e ds y s t e m s e c o n d l y , t h ea p p l i c a t i o nf i e l d so f 、 t h ea r m c h i p s ，t h ea r m i n s t r u c t i o ns e ta n dr e g i s t e r sw i l lb es p e c i f i c a l l yi n t r o d u c e d a n dt h ea n a l y s i so ft h ef e a t u r e so ft h euc o s 1 1w i l lb ep r o v i d e d ：t h es y s t e m a r c h i t e c t u r e ，t a s ks t a t u s ，s c h e d u l e ra n dc o m m u n i c a t i o nm e t h o d t h e nas i m p l e 武汉坶j ，大学硕十学位论文 i n t r o d u c t i o n ，w h i c hi sa b o u th a r d w a r ee n v i r o n m e n ta n dg c o s 1 1h a r d w a r e m d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，w i l lb eg i v e n t h ea u t h o rw i l lp u tf o r w a r ds o m ep r o b l e m si n t h ep o r t p r o c e d u r e ss e q u e n f l y t h e hc o s l l p o r tp r o c e d u r e st os 3 c 4 4 b o x m i c r o p r o c e s s o rw i l lb ep r o v i d e d t h ep r o c e d u r e sc o n c e n t r a t eo nt h r e ef i l e s ：ah e a d f i l e so s c p u h ，aa s s e m b l yf i l e so s c p u a a s ma n dacf i l e so sc p u c ，n e t h e s i s w i l lp r o v i d et h ef u n c t i o nm o d e la b o u tt h ep r o c e d u r ea n dr e s o u r c ec o d ew i t h s p e c i f i cc o m m e n t a r y a f t e rt h a t ，t h ep a p e rw i l ld e s i g ns o m ep r o g r a m st ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m w h e nt h es y s t e mc a nf u n c t i o nw e l l ，t h ea u t h o rw i l lp r o v i d eam e t h o df o r i m p r o v e m e n to f t h es t a c k a n dt h ef l o wc h a r t n l em e t h o ds e p a r a t et h ei n t e r r u p ts t a c k f r o mt a s ks t a c k i tw i l lr e d u c e 出er e q u i r e m e n to ft h es y s t e mf o rr a m f i n a l l y ，t h eg e n e r a lr u l eo f t h e 斗c o s i ip o r tp r o c e d u r e sw i l lb ec o n c l u d e d k e yw o r d s ：uc o s 一1 i ，a r m ，s 3 c 4 4 b o x ，p o r t ，e m b e d d e ds y s t e m i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含兑 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉珲j ：大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的仔伺 贡献均已在论丈中作了明确的说明并表示了谢意。 研究牛签名 关于论文使用授权的说明 本人完令了解武汉理工大学有关保留、使崩学位论文的规定，i l l l - 学校有敬 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 麟雌私：丝副“签轮一蛐k 一日期逊厶 疆：请将此声明装订在论文的目录前。j 武汉珲丁大学硕 学化论殳 1 1 嵌入式系统简介 第1 章绪论 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的 应用程序等四个部分组成。由于具有体积小，结构紧凑的特点，它通常作为 个部件埋藏于所控制的装置中，可提供用户接 、管理有关信息的输入输出、 监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。 1 1 1 嵌入式系统的主要用途 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社 会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各 种场所j 。 军用各种武器控制( 火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置) 、 坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装 备，野战指挥作战用各种专用设备等。 家用我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，v c d 、 d v d 音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，电冰箱，智能玩具等。 工业用各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布 式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、 汽车电子设备等。 商用 各类收款机、p o s 系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银 行点钞机、i c 卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、 各种银行专业外围设备。 办公用复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控 没备、手机、寻呼机、个人数字助理( p d a ) 、变频空调设备、通信终端、程控 交换机、网络设备、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。 武汉理j 人碗 学化论文 医用电子设备各种医疗电子仪器，x 光机、超声诊断仪、计算机断层 成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。 目前微处理器微控制器产量几亿到1 0 多亿片远远大于个人计算机通用台 式机。e l 前世界嵌入式系统硬件和软件开发二i ：具市场约2 0 0 0 亿美元，嵌入式系 统带来的 业年产值达一万亿美元。随着全球信息化的发展嵌入式系统市场将 进一步增长。 1 1 2 嵌入式系统的发展历史 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段。 ( 1 ) 第阶段是无操作系统的嵌入算法阶段。 这一阶段是以单：矗片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业 控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控 制，运行结束后清除内存。这阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相 对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。 ( 2 ) 第：二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以专用操作系统为核心的嵌入式系统。 这个时期，实时应用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程 序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作 系统具有“一定的兼容性和扩展性；应用软件比较专业，用户界面不够友好；系 统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行，一般只能适用于特定的硬件 环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。 ( 3 ) 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段。 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管 理、任务间的通信、同步互斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各自的 硬件环境与应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把 这部分很好地组织起来，形成一个通用的实时操作系统内核。这阶段系统的 二芒要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好， 操作系统内核小、效率商，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录 锷理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大 武汉理l 大学硕士位论文 量的应片j 程序接口( a p l ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 ( 4 ) 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。 这是一个i f 在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之 外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信思家电、1 业控制技术等结合 目益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真诈未来l 孙。 1 1 3 嵌入式系统的基本组成 嵌入式系统主要是由硬件核心和软件核心两部分组成。 嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设和i o 端口等。其中嵌入式处理器是 核心，对实时多任务具有很强的支持能力，能完成多任务并有较短的中断响应 时间：具有功能很强的存储区保护功能：拥有可扩展的处理器结构，且功耗很 低n 嵌入式软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，是整个嵌入式系统 的应用核心。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的 运作和行为；丽操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用【引。 1 2 国内外文献综述 1 2 1 嵌入式微处理器综述 目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种， 流行体系结构有3 0 几个系列。目前主要有a m l 8 6 1 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e r p c 、 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。其中基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，遍及工业控制、消费类电子产品、通信 系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。专门从事基于r i s c 技术芯 片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让 设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司 购买其设汁的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电 武汉珲i ：大学硕学侮论文 路，从1 u 形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 设计了人量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件， 其技术具有性能高、成本低和能耗省的特点，适用于多种领域1 6 1 1 7 1 。 本课题选用的便是基于a r m 架构的微处理器s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 。 1 2 - 2 嵌入式实时操作系统综述 作为实时操作系统( r t o s ，r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式系统目 前最主要的组成部分。 目前，嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种商用型和免费 型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，又有完善的技术支持和售后服务， 但往往价格比较昂贵。比如v x w o r k s ，p a l mo s ，免费型的实时操作系统在价格 方面具有优势，目前主要有l i n u x 和p c o s 1 1 1 6 j 。 uc o s i i ( m i c r oc o n t r o lo p e r a t i o ns y s t e mt w o ) 是一种源代码公开的嵌入式 操作系统，程序绝大部分是用c 语言写的，带有少量的汇编程序，并且有详细 的说明和示例，可移植性好、易调试，稳定性与可靠性高，功能也比较完善。 u c o s l l 和其他大部分的嵌入式操作系统的内核都是占先式内核，被分为最高优 先级的任务一旦准备就绪，立刻就能得到c p u 的控制权，可以剥夺低优先级任 务的c p u 使用权，处理系统最紧急的事务1 8 l 。 本课题选用的就是实时操作系统pc o s i i 。 1 3 本课题的研究内容 试。 本课题研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对a r m 基本结构、原理研究以及uc o s 1 1 实时操作系统进行详细介绍。 ( 2 ) 将hc o s i i 移植到基于a r m 芯片的s 3 c 4 4 8 0 x 巴，并对该系统进行测 ( 3 ) 对uc o s 1 1 进行功能扩展，提出一种任务堆栈的改进方法。 4 武汉理 ：大学硕士学位论文 第2 章a r m 的介绍 这一章将对a r m 系列嵌入式微处理器的具体特性作进- 步的介绍，蕾要包 括a r m 微处理器的特点、系列介绍、主要结构、寄存器、指令等。 2 1a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点1 9 】： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 】6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定； 2 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处 理器都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e ! 的x s c a t e i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每个 武汉理i 一大学硕 学怔论文 系列提供一套相对独特的住能来满足小i 司应月】领域的需求。s e c u r c o r c 系列0 为安令要求较高的应用而设计f 8 】。下面我们着重介绍下a r m 7 系列。 2 2 1a r m 7 系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u ) 【、p a l mo s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用广 的产品升级换代。 主频最高可达l3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和 凋制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入 式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 本课题使用到的s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 即属于a r m 7 t m d i 系列的处 理器。 2 3a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，这些寄存器包括： 武汉理f 。大学硕士学位论文 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器：6 个 状态寄存器，用以标识c p u 的丁作状态及程序的运行状态，均为3 2 佗，h 自h 只 使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在：每一种处理器模式卜均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器 包括l5 个通用寄存器( r o r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有 的寄存器t p ，有些是在7 种处理器模式f 共用的同一个物理寄存器，而有些寄 存器则是在不同的处理器模式f f 有不同的物理寄存器。具体情况见图2 1 。 2 3 1 通用寄存器 图2 1a r m 状态下的寄存器组织 通用寄存器包括r 0 r 1 5 ，可以分为三类： 未备份寄存器( t h eu n b a n k e dr e g i s t e r s ) r 0 r 7 备份寄存器( t h eb a n k e dr e g i s t e r s ) r 8 r 1 4 武汉理丁大学硕十学位论文 程序讨数器p c ( r i5 ) ( 1 ) 末备份寄存器r 0 r 7 ： 在所有的运行模式下，未备份寄存器都指向同一个物理寄存器，他们来被系 统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由_ 0 i 同的 处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏。 ( 2 ) 备份寄存器r s r 1 4 ： 对于备份寄存器，他们每一次所访问的物理寄存器与处理器当前的运行模 式有关。 对于r 8 r 1 2 来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当使用f i q 模 式时，访问寄存器r 8f i q r 1 2f i q ；当使用除抽模式阻外的其他模式时，访问 寄存器r 8u s r r 1 2t l s r 。 对于r 1 3 、r 1 4 来说，每个寄存器对应6 个不同的物理寄存器，其中的一个 是用户模式与系统模式共用，另外5 个物理寄存器对应于其他5 种不同的运行 模式。 采用以下的记号来区分不同的物理寄存器： r 1 3 一 r 1 4 一 其中，m o d e 为以下几种模式之：u s r 、f i q 、i r q 、s v c 、a b t 、u n d 。 寄存器r 1 3 在a r m 指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户也 可使用其他的寄存器作为堆栈指针。 由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器r 1 3 ，在用户应用程 序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的r 1 3 ，使其指向该运行模式的栈 空间，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入r 1 3 所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这 种方式可以保证异常发生后程序的正常执行。 r 1 4 也称作子程序连接寄存器( s u b r o u t i n el i n kr e g i s t e r ) 或连接寄存器l r 。 当执行b i 子程序调用指令时，r 1 4 中得n m 5 ( 程序计数器p c ) 的备份。其他情 况下，r 1 4 用作通用寄存器。与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存 器r 1 4 一s v e 、r 1 t i r q 、r 1 4f i q 、r 1 4 _ a b t 和r 1 4 u n d 用来保存r 1 5 的返回值。 ( 3 ) 程序计数器p c ( r 1 5 ) 寄存器r 1 5 用作程序计数器( p c ) 。在a r m 状态下，位【l ：0 1 为0 ，位 3 l ：2 】用 武汉理1 人产硕 学住论文 1 i 保存p c ；。 h 丁a r m 体系结构采用_ r 多级流水线技术，对于a r m 指令集而苦，p c 总是 指向当前指令的下两条指令的地址，目l j p c 的值为当前指令的地址值加8 个字节。 2 3 2 程序状态寄存器 a r m 体系结构包含一个当前程序状态寄存器( c p s r ) 和五个备份的程序状 态寄存器( s p s r ) 。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括： 保存a l u 中的当前操作信息 控制允许和禁止中断 设置处理器的运行模式 c p s r ( c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ，当前程序状态寄存器) 可在任何运行 模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁l i 位、当前处理器模式标志位，以 及其他一些相关的控制和状态位。 图2 - 2 程序状态寄存器格式 当异常发生时，s p s r 用于保存c p s r 的当前值，从异常退出时则可由s p s r 来恢复c p s r 。 由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有s p s r ，当在这两种模 式下访问s p s r ，结果是未知的。 程序状态寄存器的每一位的安排如图2 2 所示。 武汉珲i ：大学硕 学他论义 2 4a r m 微处理器的指令系统 2 4 1a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空闻，同时具备3 2 位代码的所有优点。 2 4 2a r m 微处理器的指令的分类与格式 a r m 微处理器的指令集是加载存储型的，也即指令集仅能处理寄存器中的 数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专 门的加载存储指令来完成。 a r m 微处理器的指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存 器( p s r ) 处理指令、加载，存储指令、协处理器指令和异常产生指令六大类， 具体的指令及功能如表2 - l 所示( 表中指令为基本a r m 指令，不包括派生的a r m 指令) j 。 表2 - 1a r m 指令及功能描述 助记符 指令功能描述 a d c 带进位加法指令 a d d 加法指令 a n d 逻辑与指令 b 跳转指令 b i c 位清零指令 b l 带返回的跳转指令 b l x 带返回和状态切换的跳转指令 b x 带状态切换的跳转指令 c d p 协处理器数据操作指令 c m n 比较反值指令 c m p 比较指令 e o r 异或指令 l d c 存储器到协处理器的数据传输指令 l d m 加载多个寄存器指令 武汉理1 1 大学硕i 学位论叟 7 l d r存储器到寄存器的数据传输指令 m c r 从a r m 寄存器到协处理器寄存器的数据传输指令 m l a 乘加运算指令 m o v 数据传送指令 m r c 从协处理器寄存器到a r m 寄存器的数据传输指令 m r s传送c p s r 或s p s r 的内容到通用寄存器指令 m s r 传送通用寄存器到c p s r 或s p s r 的指令 m u l 3 2 钽乘法指令 m l a 3 2 位乘加指令 _ f 、仆】 数据取反传送指令 o r r 逻辑或指令 r s b 逆向减法指令 r s c 带借位的逆向减法指令 s b c 带借位减法指令 s t c 协处理器寄存器写入存储器指令 s t m 批量内存字写入指令 s t r 寄存器到存储器的数据传输指令 s u b 减法指令 s w i 软件中断指令 s w p 交换指令 t e q相等测试指令 t s t 位测试指令 武议理丁尢学颁j ：学亿论文 第3 章嵌入式实时操作系统 作为嵌入式系统极为重要的组成部分的嵌入式操作系统( e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ) ，通常包括与硬什相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动 接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作 系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化， 使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱如来；能够提供库函数、驱 动程序、t 具集以及应用程序。 3 1 嵌入式实时操作系统介绍 3 1 1 实时操作系统的概念 实时系统是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统。实时操作系统 ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e j l ) 是根据操作系统的r 作特性而言的。实时是指物 理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作 的操作系统。首墨任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着 眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求”i 。 3 1 2 实时操作系统应具有的功能 实时操作系统应其有如下的功能” ： ( 1 ) 任务管理( 多任务和基于优先级的任务润度) ( 2 ) 任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) ( 3 ) 存储器优化管理( 含r o m 的管理) ( 4 ) 实时时钟服务 ( 5 ) 中断管理服务 3 1 3 嵌入式实时操作系统的优点 嵌入，实时操作系统在目前的嵌入，e 应用中用得越来越厂。泛，尤其在功能 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能 武汉坶_ _ i 大学硕学他论文 复杂、系统庞大的应片j 中显得愈来愈重要。 ( i ) 嵌人式实时操作系统提i 亩了系统的可靠性。 ( 2 ) 提高了开发效率，缩短了开发周期。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。 3 2 常用嵌入式实时操作系统介绍 目前，嵌入式实时操作系统的种类繁多，f 面就介绍一f 常见的几种嵌入 式实时操作系统f “1 。 3 2 1v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，是嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能 力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据 席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航 空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹 道制导、飞机导航等。在美国的f 一1 6 、f a 】8 战斗机、b 一2 隐形轰炸机和爱国者 导弹上，甚至连1 9 9 7 年4 月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了 v x w o r k s 。 3 2 2q n x 位于加拿大首府渥太华的q n x 软件系统有限公司成立于1 9 8 0 年，是创新t 导型公司。在2 0 多年的时间里，q n x 公司与时俱进，不断推出代表时代技术水 平的实时搡作系统，包括q n x 2 、q n x 4 和当前q n x 6 ，是当之无愧的行业领袖。 3 2 3p s o s y s t e m p s o s y s t e m 是集成系统有限公司( i n t e g r a t e ds y s t e m s ，i n c 简称i s i 公司) 研发的 产品。该公司成立于1 9 8 0 年，产品在成立后不久推出，是世界上最早的实时系 统之一。p s o s y s t e m 推出的时间较早，因此它比较成熟，目前可以支持很多类型 的处理器，同时支持i s 0 9 6 6 0 、m s d o s 、n f s 等多种文件系统。目前全球大约 有3 5 0 0 万个设备上使用的该操作系统。p s o s y s t e m 在中国的市场占有率是最高 武汉理i 大学硕十学位论文 的，卞要应用领域包括通信、航天、信息家电以及t 业控制。 3 2 4p c o s i i uc o s i i 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 编写的个公开源代码的，微内核嵌 入式实时操作系统，其实时性能和内核的健壮性早已经在大量的实际应用中得 到了证实。程序开发人员可以改写源代码，使之符台自己的要求。裁减掉不需 要的部分，使操作系统变得d , x 5 、灵活，并且能满足用户特定操作系统的需要。 hc o s i l 对于学校研究完全免费，只有在应用于盈利项目时才需要支付少量的 版权费，特别适合一般使用者的学习、研究和开发。 uc o s i i 有如下特点5 1 ： 公开源代码，且源代码中有详细的注释，源代码清晰易读且结构协调、 组织有序，对实时操作系统的基本原理做了非常详细的解释，简单易懂。 移植性好，uc o s - 1 1 的源代码绝大部分是用a n s ic 编写的，与微处理 器相关的部分是用汇编语言写的，使得uc o s l i 便于移植到其它处理器上。 可裁剪，用户可以根据自己的寄存器空间的夫小和实际需要，只保留u c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。 稳定性和可靠性高，抗干扰能力强。 uc o s i i 完全是占先式的实时内核。这意味着pc o s i i 总是运行就绪 条件下优先级最高的任务。 l ac o s i i 每个任务的优先级必须是不同的，这意味着“c o s i i 不支持 时闻片轮转调度法( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) 。 全部l ac o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。 uc o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小 固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 3 4uc o s i i 的介绍 3 4 1 临界段 代码的临界段也称为临界区，指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码 _ 旰始执行，则不允许任何中断打入。为确保i 临界段代码的执行，在进入临界段 之前要关中断，而临界段代码执行完以后要立即开中断。 武汉理u t 大学顾十学位论文 和其它内核1 样，c o s l i 为了处理临界段代码需要关中断，处理完毕 j 冉 开中断。这使得uc o s 1 1 能够避免同时有萸它任务或中、断服务进入临界段代码， uc o s i i 定义两个宏( m a c r o s ) 来关中断和开中断，以便避开不同c 编译器 厂商选择不同的方法来处理关中断和开中断。t ic o s 一1 1 中的这两个宏调用分别 是：o se n t e rc r i t i c a l ( ) 和o se x i tc r i t i c a l ，0 。因为这两个宏的定义取 决于所用的微处理器，故在文件o sc p u h 中可以找到相应宏定义i l “。 3 4 2 任务 一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为c p u 完 全只属该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任 务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它 自己的一套c p u 寄存器和自己的栈空间。 多任务运行的实现实际上是靠c p u ( 中央处理单元) 在许多任务之间转换、调 度。c p u 只有一个，轮番服务于一系列任务中的某个。多任务运行使c p u 的 利用率得到最大的发挥，并使应用程序模块化。在实时应用中，多任务化的最 大特点是开发人员可以将很复杂的应用程序层次