uCOSII在ARM微处理器上的移植及编译课程设计

1、ARM原理与应用报告一、设计内容1.用ADS1.2 IDE软件进行程序代码编译设计，生成可执行的输出文件，并显示运行结果，实现uC/OS-II 内核在ARM处理器上移植。2.uC/OS-II 在ARM 微处理器上的移植及编译。二、 设计目的与要求目的:ARM原理与应用课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次专业训练，也是对学生掌握和应用嵌入式系统相关知识能力的有效测试。通过ARM原理与应用课程设计，使学生初步了解嵌入式系统软件开发的一般过程和基本设计方法，使学生进一步巩固和加深所学的专业理论知识，培养学生文献查阅、报告撰写等基本技能；培养学

2、生独立分析和解决工程实际问题的能力；培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。要求:1) 了解uC/OS-II 内核的主要结构。2) 掌握将uC/OS-II 内核移植到ARM 处理器上的基本方法。3）在给定的设备（UP-TECH PXA270-S嵌入式开发平台、PC 机 、WinXP、ADS1.2 集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序）上加以实验，学会自己分析、找出解决问题的方法。4）对设计中遇到的问题和困难，独立思考，查阅资料，分析、观察、判断、试验、再判断以寻找答案。5）分析结果，写出设计总结报告论述自己的观点，并应将参考资料列在报告后面以备查询。

3、内容尽量翔实(如上机过程、环境搭建)，其中必须有按自己所理解、用自己的语言所描述的内容。三、 设计环境或器材、原理与说明环境:硬件：PC机，博创UP-TECHPXA27-S目标板ARM7TDMI微处理器，串口线，并口JTAG 转换线；软件：，Windows XP系统，ADS1.2 IDE编译环境，LPC2000 Flash Utility烧写程序、超级终端通讯程序.原理与说明:1.ARM原理与应用课程设计题目涉及ARM应用的诸多方面，须经过思考和认真的学习，有一定难度，在深度方面主要要求学生对具体ARM指令的分析理解，目标板ARM处理器的硬件认识了解，ADS1.2 IDE软件的操作能力，解读u

4、C/OS-II 内核的自学能力以及自我解决问题的能力。2.C/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可裁减的占先式实时多任务内核，它功能强大，支持56个用户任务，支持信号量、邮箱、消息队列等多种常用的进程间通信机制。公开源代码，程序可读性强、移植性好，同时可免费获得。LPC2119是由PHILIPS生产的一款32位ARM7TDMI-S微处理器，其核心为高性能的32位RISC体系结构，并具有高密度的16位指令集和极低的功耗。具有零等待128K字节的片内Flash，16k的SRAM，无需扩展存储器，使系统更为简单、可靠。四、 设计过程（步骤）或程序代码源代码:1. OS_CPU.H文件该文件定义

5、了和处理器相关的定义及一些全局函数声明。由于ARM7 处理器字长为32位，半字长为16位，字节为8位，因此在OS_CPU.h文件修改了一些相关定义以确保uC/OS-的可移植性：#ifndef _OS_CPU_H_#define _OS_CPU_H_#ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#else#define OS_CPU_EXT extern#endiftypedef unsigned char BOOLEAN;typedef unsigned char INT8U; /* Unsigned 8 bit quantity */typedef signe

6、d char INT8S; /* Signed 8 bit quantity */typedef unsigned int INT16U; /* Unsigned 16 bit quantity */typedef signed int INT16S; /* Signed 16 bit quantity */typedef unsigned long INT32U; /* Unsigned 32 bit quantity */typedef signed long INT32S; /* Signed 32 bit quantity */typedef float FP32; /* Single

7、 precision floating point */typedef double FP64; /* Double precision floating point */typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide */typedef unsigned int OS_CPU_SR; /* Define size of CPU status register (PSR = 32 bits) */#define BYTE INT8S /* Define data types for backward compati

8、bility . */#define UBYTE INT8U /* . to uC/OS V1.xx. Not actually needed for . */#define WORD INT16S /* . uC/OS-II. */#define UWORD INT16U#define LONG INT32S#define ULONG INT32U从上面定义可看出，uC/OS-代码不使用C的short，int和long等数据类型，这是因为它们是与编译器相关的，不可移植。uC/OS-需要先禁止中断再访问代码的临界段，并且在访问后重新允许中断，这就使得uC/OS-能够保护临界段代码免受多任务或中

9、断服务例程的破坏。uC/OS-对关中断以及开中断的宏定义如下：#define OS_CRITICAL_METHOD 3#if OS_CRITICAL_METHOD = 3 /* critical section macros use "method 3" (save to local var "cpu_sr") */extern int INTS_OFF(void); /* ASM routines to twiddle bits */extern void INTS_ON(void);#define OS_ENTER_CRITICAL() cpu_sr

10、 = INTS_OFF(); #define OS_EXIT_CRITICAL() if(cpu_sr = 0) INTS_ON(); #else#error please define critical method#endif#define OS_STK_GROWTH 1 /* Stack grows from HIGH to LOW memory on 80x86 */#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()#endif /*_OS_CPU_H_*/uC/OS-可以处理从下往上长以及从上往下长两种堆栈方式，但由于ARM处理器的堆栈都是从上往下生长，也就是高地址到低地址

11、的生长方向，因此宏定义如下：#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆栈从上往下增长,1向上,0向下*/2. OS_CPU_C.C文件在这个文件里主要是OSTaskStkInit()函数和一些钩子函数，需要关心的是OSTaskStkInit()。OSTaskStkInit()是任务堆栈初始化函数，它由任务建立函数OSTaskCreateExt()调用，用于初始化任务的堆栈，堆栈的结构初始化成看起来刚刚发生过中断一样，所有的寄存器都被入栈。在ARM体系结构下，任务堆栈空间由高至低依次将保存着pc、lr、r12、r11、r10、r1、r0、cpsr、spsr。OSTaskStkInit

12、()函数有四个参数，task，pdata，ptos，opt，它们和建立任务所使用的参数是一致的。函数返回堆栈指针所指的地址。当我们使用OSTaskCreateExt()来建立任务时，就把上述四个参数传递给OSTaskStkInit()函数，初始化好堆栈，再返回给OSTaskCreateExt()堆栈指针，继续走下去。OSTaskStkInit()函数代码最后，使用R0来传递参数，这是符合ARM汇编的规范，使用R0来传递第一个参数。#include "includes.h" /* from uCOS directory */#include "ipport.h&qu

13、ot; /* from Interniche directory */* ARM CPU "supervisor" mode for PSR registers, with INTs enabled */#define SUPMODE 0x13OS_STK * OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt) unsigned int * stk; stk = (unsigned int *)ptos; /* 加载堆栈指针 */ /USE_ARG(opt); opt+;

14、 /* build a stack for the new task */*建立任务环境，ADS1.2使用满递减堆栈*/ *-stk = (unsigned int) task; /* pc */ *-stk = (unsigned int) task; /* lr */ *-stk = 12; /* r12 */ *-stk = 11; /* r11 */ *-stk = 10; /* r10 */ *-stk = 9; /* r9 */ *-stk = 8; /* r8 */ *-stk = 7; /* r7 */ *-stk = 6; /* r6 */ *-stk = 5; /* r5

15、*/ *-stk = 4; /* r4 */ *-stk = 3; /* r3 */ *-stk = 2; /* r2 */ *-stk = 1; /* r1 */ *-stk = (unsigned int) pdata; /* r0, 第一个参数使用R0传递*/ *-stk = (SUPMODE); /* cpsr */ *-stk = (SUPMODE); /* spsr */ return (OS_STK *)stk);#if OS_CPU_HOOKS_ENvoid OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb) /*任务创建钩子函数,当任务被创建时调用该函数*/ pt

16、cb = ptcb; /* ptcb没有用,是为了防止编译器警告*/void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb) /*任务删除钩子函数,当任务被删除时调用该函数*/ptcb = ptcb; /* ptcb没有用,是为了防止编译器警告*/void OSTaskSwHook (void) /*任务切换函数,可以在执行其他操作时进行上下文切换。*/void OSTaskStatHook (void) /*任务统计钩子函数*/void OSTimeTickHook (void)void OSTCBInitHook (OS_TCB *ptcb) ptcb = ptcb; /* Pr

17、event Compiler warning */void OSTaskIdleHook (void)void OSInitHookEnd (void)void OSInitHookBegin (void)#endif文件该文件的是移植的关键所在，在本文件中必须完成四个函数的编写工作，它们分别为OSIntCtxSw( )，OSCtxSw( )， OSStartHighRdy( )和OSTickISR( )。其中前两个函数是重中之重，它们必须用汇编语言编写，主要完成任务环境的切换工作。AREA|subr|, CODE, READONLYEXPORTOSIntCtxSwEXPORTOS_TASK_

18、SWEXPORT INTS_OFFEXPORT INTS_ONINTS_OFF mrs r0, cpsr ; current CSR mov r1, r0 ; make a copy for masking orr r1, r1, #0xC0 ; mask off int bits msr CPSR_cxsf, r1 ; disable ints (IRQ and FIQ) and r0, r0, #0x80 ; return FIQ bit from original CSR mov pc,lr ; returnINTS_ON mrs r0, cpsr ; current CSR bic r

19、0, r0, #0xC0 ; mask on ints msr CPSR_cxsf, r0 ; enable ints (IRQ and FIQ) mov pc,lr ; return; External symbols we need the addresses ofIMPORTOSTCBCuraddr_OSTCBCurDCDOSTCBCurIMPORTOSTCBHighRdyaddr_OSTCBHighRdyDCDOSTCBHighRdyIMPORTOSPrioCuraddr_OSPrioCurDCDOSPrioCurIMPORTOSPrioHighRdyaddr_OSPrioHighRd

20、yDCDOSPrioHighRdy IMPORT IRQStack;FIQ_STACKOSIntCtxSw; post FIQ Context switcher. This is called from OSIntExit when a hooked ISR; wants to return in the context of another task. We load the new tasks context; (from OSPrioHighRdy) and do the return from interrupt. ; Get pointer to stack where ISR_Fi

21、qHandler saved interrupted context ; ISR entry only saves first seven regs and LR. ;add r7, sp, #24 ; save pointer to register file, we must adjust this pointer to the position that just Enter InterruptLDRsp, =IRQStack;IRQ_STACK ;test to del itsubr7, sp, #4;r7 is the position that just Enter Interru

22、pt; Change ARM CPU to SVC mode for stack operations.; This gets the CPU off the interrupt stack and back to the; interrupted task's stack, which is the one we want to alter.;mrs r1, SPSR ; get suspended PSRorr r1, r1, #0xC0 ; disable IRQ, FIQ.msr CPSR_cxsf, r1 ; switch mode (shold be SVC_MODE) ;

23、 PSR, SP, LR regs are now restored to the interrupted SVC_MODE. ; now set up the task's stack frame as OS_TASK_SW does.;ldr r0, r7, #52 ; get IRQ's LR (tasks PC) from IRQ stack /r0-r12ldr r0, r7; get IRQ's LR (tasks PC) from IRQ stacksub r0, r0, #4 ; Actual PC address is (saved_LR - 4)ST

24、MFDsp!, r0 ; save task PCSTMFDsp!, lr ; save LRsublr, r7, #52;/we save the r0-r12 when we enter IRQ.;mov lr, r7 ; save FIQ stack ptr in LR (going to nuke r7)ldmfd lr!, r0-r12 ; get saved registers from FIQ stackSTMFDsp!, r0-r12 ; save registers on task stack ; save PSR and PSR for task on task's

25、 stackMRSr4, CPSRbic r4, r4, #0xC0 ; leave interrupt bits in enabled modeSTMFDsp!, r4; save task's current PSRMRSr4, SPSRSTMFDsp!, r4; SPSR too; OSPrioCur = OSPrioHighRdy / change the current processLDRr4, addr_OSPrioCurLDRr5, addr_OSPrioHighRdyLDRBr6, r5STRBr6, r4; Get preempted tasks's TCB

26、LDRr4, addr_OSTCBCurLDRr5, r4STRsp, r5; store sp in preempted tasks's TCB; Get new task TCB addressLDRr6, addr_OSTCBHighRdyLDRr6, r6LDRsp, r6; get new task's stack pointer; OSTCBCur = OSTCBHighRdySTRr6, r4 ; set new current task TCB addressLDMFDsp!, r4MSRSPSR_cxsf, r4LDMFDsp!, r4BIC r4, r4,

27、#0xC0 ; we must exit to new task with ints enabledMSRCPSR_cxsf, r4LDMFDsp!, r0-r12, lr, pc;void OS_TASK_SW(void);Perform a context switch.;On entry, OSTCBCur and OSPrioCur hold the current TCB and priority;and OSTCBHighRdy and OSPrioHighRdy contain the same for the task;to be switched to.;The follow

28、ing code assumes that the virtual memory is directly;mapped into physical memory. If this is not true, the cache must ;be flushed at context switch to avoid address aliasing.OS_TASK_SWSTMFDsp!, lr; save pcSTMFDsp!, lr; save lrSTMFDsp!, r0-r12; save registers and ret addressMRSr4, CPSRSTMFDsp!, r4; s

29、ave current PSRMRSr4, SPSRSTMFDsp!, r4; save SPSR; OSPrioCur = OSPrioHighRdyLDRr4, addr_OSPrioCurLDRr5, addr_OSPrioHighRdyLDRBr6, r5STRBr6, r4; Get current task TCB addressLDRr4, addr_OSTCBCurLDRr5, r4STRsp, r5; store sp in preempted tasks's TCB; Get highest priority task TCB addressLDRr6, addr_

30、OSTCBHighRdyLDRr6, r6LDRsp, r6; get new task's stack pointer; OSTCBCur = OSTCBHighRdySTRr6, r4; set new current task TCB address ; restore task's mode regsitersLDMFDsp!, r4MSRSPSR_cxsf, r4LDMFDsp!, r4MSRCPSR_cxsf, r4 ; return in new task contextLDMFDsp!, r0-r12, lr, pc;void OSStartHighRdy(vo

31、id);Start the task with the highest priority;EXPORTOSStartHighRdyOSStartHighRdyLDRr4, addr_OSTCBCur; Get current task TCB addressLDRr5, addr_OSTCBHighRdy; Get highest priority task TCB addressLDRr5, r5; get stack pointerLDRsp, r5; switch to the new stackSTRr5, r4; set new current task TCB addressLDM

32、FDsp!, r4; YYYMSRSPSR_cxsf, r4LDMFDsp!, r4; get new state from top of the stackMSRCPSR_cxsf, r4; CPSR should be SVC32ModeLDMFDsp!, r0-r12, lr, pc ; start the new taskEND4. main.c文件#include "./inc/sys/lib.h"#include <string.h>#include <stdio.h>#include "./inc/drv/register.h

33、"#ifndef TRUE#define TRUE 1#endif#ifndef FALSE#define FALSE 0#endiftypedef unsigned char uint8; /* 无符号8位整型变量 */typedef signed char int8; /* 有符号8位整型变量 */typedef unsigned short uint16; /* 无符号16位整型变量 */typedef signed short int16; /* 有符号16位整型变量 */typedef unsigned int uint32; /* 无符号32位整型变量 */typedef

34、 signed int int32; /* 有符号32位整型变量 */typedef float fp32; /* 单精度浮点数（32位长度） */typedef double fp64; /* 双精度浮点数（64位长度） */#define Fosc12000000 /晶振频率,10MHz25MHz，应当与实际一至#define Fcclk(Fosc * 5) /系统频率，必须为Fosc的整数倍(132)，且<=60MHZ#define Fcco(Fcclk * 4) /CCO频率，必须为Fcclk的2、4、8、16倍，范围为156MHz320MHz#define Fpclk(Fccl

35、k / 4) * 4 /VPB时钟频率，只能为(Fcclk / 4)的1、2、4倍void DelayNS(uint32 dly) uint32 i; for(; dly>0; dly-) for(i=0; i<5000; i+);#define UART_BPS115200/* 定义通讯波特率 */void UART0_Ini(void) uint16 Fdiv; U0LCR = 0x83; / DLAB = 1，可设置波特率 Fdiv = (Fpclk / 16) / UART_BPS; / 设置波特率 U0DLM = Fdiv / 256; U0DLL = Fdiv % 25

36、6; U0LCR = 0x03;void UART0_SendByte(uint8 data) U0THR = data; / 发送数据 while( (U0LSR&0x40)=0 ); / 等待数据发送完毕void UART0_SendStr(uint8 const *str) while(1) if( *str = '0' ) break; UART0_SendByte(*str+); / 发送数据int main(void) PINSEL0 = 0x00000005; / 设置I/O连接到UART0 UART0_Ini();/ while(1) UART0_Sen

37、dStr(SEND_STRING); DelayNS(10);/ return(0);实验过程：uCOS-II 在ARM 微处理器上的移植及编译1在linux系统中用gcc编译已给出的.c和.h文件生成一个可执行的文件，在修改完编译器的报错后，无法实现，出现函数未定义undefined reference错误汇报。2后来经过老师的指导，要在ADS1.2 IDE编译环境下生成课执行的文件。3我重新修改了main.c头文件的输出结果，并重新deubug，生成输出文件，然后再次烧写，通信显示并成功。4进行虚拟机内的超级终端的通讯交互测试，参数设置为波特率115200，以防显示乱码

38、，数据位8 位，停止位1，无奇偶校验，软件硬件流控设为无，成功建立超级终端。设置虚拟机的端口选择端口COM1，并选择等待调试器打开端口。经过几次测试，终于通信成功。五、 设计结果与分析1串口线连接到ucos实验模块下方的串口上。 2做好以上第一步准备工作后，打开随光盘附带的软件LPC2000 Flash Utility。3点击Read Device ID按键,然后重新启动目标机，然后点击确定获得相应的Part ID和BootLoader ID4结果失败，后来问老师才知道在up-techpxa270-s实验箱ucos实验模块的上方有一跳线：JP1501 LPC2119。烧写时应把跳线跳至1和2之

39、间。5获取ID后，选择要烧写到Flash中的文件,system.hex。6选中文件后，选择Upload to Flash。7进度条完成之后，在对话框左下方出现提示：File Upload Successfully Completed.8关闭up-techpxa270-s的电源，并且把模块上方的跳线跳至2和3之间。再打开电源和超级终端，观察从串口输出的信息，并且查看ucos实验模块显示的实验现象。9结果不正确，后来在虚拟机里新建了一个超级终端后，重启目标机，就可以看到显示结果了。分析:（一）对uC/OS-移植代码的理解uC/OS-的移植代码，主要涉及到三个文件，即OS_CPU.H、OS_CPU_

40、C.C、OS_CPU_A.S。对这三个文件的理解花费了我很长的时间，可能是因为之前从未接触过uC/OS-，因此对里面的一些定义以及为什么要这样定义都不怎么明白，特别是OS_CPU_A.S这个主文件，里面包含了许多ARM指令，包括在C中调用汇编时所要用到的汇编函数，基本每一条指令实现什么功能都能看懂，而结合在一起却并不了解它们所实现的功能是什么，于是便去搜索一些材料，包括查阅相关书籍，才大致明白了uC/OS-移植的相关信息。（二）将代码移植到开发板这部分采用的代码是原本的程序代码，在烧写的时候，读取设备ID这一步一直不成功，后来才知道是虚拟机里的串口设置设为None而导致的结果，更改了设置后再试一次就可以了。六、设计体会1. 通过此次实验，让我复习了嵌入式ARM系统软、硬件的基本知识，分析了uC/OS-II的源代码，对移植相关部分的代码作了分析解读，熟悉了ARM体系架构，最后基于ARM微处理器作了uC/OS-II的具体移植工作。不管是移植还是自己设计的，我想最终的目的是解决这个问题，这首先要有个好的学习态度，通过它让我自己认识到自