uCOS-II 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

2、 能；培养学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

3、观点，并应将参考资料列在报告后面以备查 询。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：MS.Virtual.PC.2004，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

4、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 uC/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

5、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: 1.1. OS_CPU.HOS_CPU.H 文件文件 该文件定义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 #defi

6、ne OS_CPU_EXT extern #endif typedef unsigned char BOOLEAN; typedef unsigned char INT8U; /* Unsigned 8 bit quantity */ typedef signed char INT8S; /* Signed 8 bit quantity */ typedef unsigned int INT16U; /* Unsigned 16 bit quantity */ typedef signed int INT16S; /* Signed 16 bit quantity */ typedef uns

7、igned long INT32U; /* Unsigned 32 bit quantity */ typedef signed long INT32S; /* Signed 32 bit quantity */ typedef float FP32; /* Single precision floating point */ typedef double FP64; /* Double precision floating point */ typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide */ typedef u

8、nsigned int OS_CPU_SR; /* Define size of CPU status register (PSR = 32 bits) */ #define BYTE INT8S /* Define data types for backward compatibility . */ #define UBYTE INT8U /* . to uC/OS V1.xx. Not actually needed for . */ #define WORD INT16S /* . uC/OS-II. */ #define UWORD INT16U #define LONG INT32S

9、 #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 v

10、ar cpu_sr) */ extern int INTS_OFF(void); /* ASM routines to twiddle bits */ extern void INTS_ON(void); #define OS_ENTER_CRITICAL() cpu_sr = 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 H

11、IGH to LOW memory on 80 x86 */ /#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*/ 2.2. OS_CPU_C.COS_CPU_C.C 文件文件 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()。O

12、STaskStkInit()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()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

13、，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 /* from Interniche directory */ /* ARM CPU supervisor mode for PSR registers, with INTs enabled */ #define SUPMODE 0 x13 OS_STK

14、 * 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+; /* 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 *

15、/ *-stk = 12; /* r12 */ *-stk = 11; /* r11 */ *-stk = 10; /* r10 */ *-stk = 9; /* r9 */ *-stk = 8; /* r8 */ *-stk = 7; /* r7 */ *-stk = 6; /* r6 */ *-stk = 5; /* r5 */ *-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*/

16、 *-stk = (SUPMODE); /* cpsr */ *-stk = (SUPMODE); /* spsr */ return (OS_STK *)stk); #if OS_CPU_HOOKS_EN void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb) /*任务创建钩子函数,当任务被创建时调用该函数*/ ptcb = 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

17、*/ 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; /* Prevent Compiler warning */ void OSTaskIdleHook (void) void OSInitHookEnd (void) void OSInitHookBegin (void) #endif 3.OS_CPU_

18、A.S3.OS_CPU_A.S 文件文件 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, READONLY EXPORTOSIntCtxSw EXPORTOS_TASK_SW EXPORT INTS_OFF EXPORT INTS_ON INTS_OFF mrs r0, cpsr ; current CSR mov r1, r0 ;

19、make a copy for masking orr r1, r1, #0 xC0 ; mask off int bits msr CPSR_cxsf, r1 ; disable ints (IRQ and FIQ) and r0, r0, #0 x80 ; return FIQ bit from original CSR mov pc,lr ; return INTS_ON mrs r0, cpsr ; current CSR bic r0, r0, #0 xC0 ; mask on ints msr CPSR_cxsf, r0 ; enable ints (IRQ and FIQ) mo

20、v pc,lr ; return ; External symbols we need the addresses of IMPORTOSTCBCur addr_OSTCBCurDCDOSTCBCur IMPORTOSTCBHighRdy addr_OSTCBHighRdyDCDOSTCBHighRdy IMPORTOSPrioCur addr_OSPrioCurDCDOSPrioCur IMPORTOSPrioHighRdy addr_OSPrioHighRdy DCDOSPrioHighRdy IMPORT IRQStack;FIQ_STACK OSIntCtxSw ; post FIQ

21、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_FiqHandler saved interrupted context ; ISR entry only saves firs

22、t seven regs and LR. ; ;add r7, sp, #24 ; save pointer to register file, we must adjust this pointer to the position that just Enter Interrupt LDRsp, =IRQStack ;IRQ_STACK ;test to del it subr7, sp, #4;r7 is the position that just Enter Interrupt ; Change ARM CPU to SVC mode for stack operations. ; T

23、his gets the CPU off the interrupt stack and back to the ; interrupted tasks stack, which is the one we want to alter. ; mrs r1, SPSR ; get suspended PSR orr r1, r1, #0 xC0 ; disable IRQ, FIQ. msr CPSR_cxsf, r1 ; switch mode (shold be SVC_MODE) ; PSR, SP, LR regs are now restored to the interrupted

24、SVC_MODE. ; now set up the tasks stack frame as OS_TASK_SW does. ;ldr r0, r7, #52 ; get IRQs LR (tasks PC) from IRQ stack /r0-r12 ldr r0, r7; get IRQs LR (tasks PC) from IRQ stack sub r0, r0, #4 ; Actual PC address is (saved_LR - 4) STMFDsp!, r0 ; save task PC STMFDsp!, lr ; save LR sublr, r7, #52;/

25、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 stack STMFDsp!, r0-r12 ; save registers on task stack ; save PSR and PSR for task on tasks stack MRSr4, CPSR bic r4, r4, #0 xC0 ; leave interrupt bits in e

26、nabled mode STMFDsp!, r4; save tasks current PSR MRSr4, SPSR STMFDsp!, r4; SPSR too ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy / change the current process LDRr4, addr_OSPrioCur LDRr5, addr_OSPrioHighRdy LDRB r6, r5 STRB r6, r4 ; Get preempted taskss TCB LDRr4, addr_OSTCBCur LDRr5, r4 STRsp, r5; store sp in preemp

27、ted taskss TCB ; Get new task TCB address LDRr6, addr_OSTCBHighRdy LDRr6, r6 LDRsp, r6; get new tasks stack pointer ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy STRr6, r4 ; set new current task TCB address LDMFDsp!, r4 MSRSPSR_cxsf, r4 LDMFDsp!, r4 BIC r4, r4, #0 xC0 ; we must exit to new task with ints enabled MSRCPS

28、R_cxsf, r4 LDMFDsp!, 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 following code assumes that the virtual memory is direc

29、tly ;mapped into physical memory. If this is not true, the cache must ;be flushed at context switch to avoid address aliasing. OS_TASK_SW STMFDsp!, lr; save pc STMFDsp!, lr; save lr STMFDsp!, r0-r12 ; save registers and ret address MRSr4, CPSR STMFDsp!, r4; save current PSR MRSr4, SPSR STMFDsp!, r4;

30、 save SPSR ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy LDRr4, addr_OSPrioCur LDRr5, addr_OSPrioHighRdy LDRB r6, r5 STRB r6, r4 ; Get current task TCB address LDRr4, addr_OSTCBCur LDRr5, r4 STRsp, r5; store sp in preempted taskss TCB ; Get highest priority task TCB address LDRr6, addr_OSTCBHighRdy LDRr6, r6 LDRsp, r

31、6; get new tasks stack pointer ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy STRr6, r4; set new current task TCB address ; restore tasks mode regsiters LDMFDsp!, r4 MSRSPSR_cxsf, r4 LDMFDsp!, r4 MSRCPSR_cxsf, r4 ; return in new task context LDMFDsp!, r0-r12, lr, pc ;void OSStartHighRdy(void) ;Start the task with the hi

32、ghest priority; EXPORTOSStartHighRdy OSStartHighRdy LDRr4, addr_OSTCBCur; Get current task TCB address LDRr5, addr_OSTCBHighRdy; Get highest priority task TCB address LDRr5, r5; get stack pointer LDRsp, r5; switch to the new stack STRr5, r4; set new current task TCB address LDMFDsp!, r4; YYY MSRSPSR

33、_cxsf, r4 LDMFDsp!, r4; get new state from top of the stack MSRCPSR_cxsf, r4; CPSR should be SVC32Mode LDMFDsp!, r0-r12, lr, pc ; start the new task END 4.4. main.cmain.c 文件文件 #include ./inc/sys/lib.h #include #include #include ./inc/drv/register.h #ifndef TRUE #define TRUE 1 #endif #ifndef FALSE #d

34、efine FALSE 0 #endif typedef 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 signed int int32; /* 有符号 32 位整型变量 *

35、/ 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 Fosc /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 0; dly-) for(i=0; i5000; i+); #define UART_BPS/* 定义通讯波特率 */ void UART0_Ini(void) uint16 Fdiv; U0LCR = 0 x83; / DLAB = 1，可设置波特率

36、 Fdiv = (Fpclk / 16) / UART_BPS; / 设置波特率 U0DLM = Fdiv / 256; U0DLL = Fdiv % 256; U0LCR = 0 x03; void UART0_SendByte(uint8 data) U0THR = data; / 发送数据 while( (U0LSR / 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 = 0 x

37、; / 设置 I/O 连接到 UART0 UART0_Ini(); / while(1) UART0_SendStr(SEND_STRING); DelayNS(10); / return(0); 实验过程：uCOS-II 在在 ARM 微处理器上的移植及编译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，

38、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，以防显示乱码，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 ID 4结果失败，后

39、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

40、，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_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

41、-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 己的不足和弱项，多分析做些实验验证，对于问题解决是帮助的。 2. 在 uC/OS-II 的 intel8086 版本上为 os_cpu.