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μC/OS-II在MSP430上的移植

2013年06月10日 ⁄ 综合 ⁄ 共 6905字 ⁄ 字号 评论关闭

利尔达公司技术部成功完成了uCOS-II在MSP430上的移植。在AQ430编译环境下开发了uCOS-II的移植代码,并直接移植到MSP430-TEST44X硬件开发平台,对移植的正确性进行了多重验证,达到理想效果。利尔达公司公开免费提供全部移植代码给所有单片机开发人员及爱好者使用。利尔达公司将陆续公布uCOS-II在MSP430上的所有驱动代码以及它在MSP430F15X、16X等系列上的应用实例。

uCOS-II在MSP430的移植功能详细说明

uCOS-II在MSP430的移植程序包


μC/OS-II在MSP430上的移植 

开发工具 OS_CPH.H文件 OS_CPU_A.asm OS_CPU_C.C 移植代码正确性验证 

概述
  μC/OS-II是源码公开的嵌入式操作系统,它一开始就为嵌入式系统设计,代码量小。它由一个人设计具有良好和统一的代码风格。 

  本文将介绍如何将实时多任务操作系统μC/OS-II移植到TI的MSP430系列CPU上。本文内容大致可分为两部分:①介绍如何编写μC/OS-II针对MSP430的PORT;②在AQ430的集成编译环境中对移植代码的正确性作简单的验证。因为μC/OS-II需要较大的RAM空间,我们可以选用MSP430F149、MSP430F449等具有2K
RAM空间的CPU来完成我们的移植。

      
一、开发工具
  我们选用MSP-TEST44X为目标系统,它是一块基于MSP430F449的硬件平台。软件开发环境采用AQ430,它可以产生可重入的代码,同时支持在C程序中嵌入汇编语句。本章所介绍的移植和代码都是针对AQ430的,对于其他的C430编译器,本章所介绍的移植和代码仅供参考。 

二、文件和目录 
  为了方便实现复制、共享,我们将所有的文件放在名为“PORT_AQ430_449”目录中。具体包括μC/OS-II的内核源代码、针对MSP430
CPU和AQ430编译器的移植代码(os_cpu_c.c os_cpu_a.asm os_cpu.h)、包含头文件(include.h)、已通过测试调试的AQ430项目文件(uCOS_AQ430_PORT.qpj)。这样做的目的是为了方便我们和大家一起讨论学习μC/OS-II,不管从何处下载或复制得到“PORT_AQ430_449”及其所包含的文件,只要打开AQ430的项目文件(uCOS_AQ430_PORT.qpj),不需要任何其他的操作或修改,就立刻可以进行编译调试等实际操作,省去由于头文件路径不对而导致编译通不过的麻烦。当然你也完全可以重新创建项目进行编译调试。重新创建AQ430项目的过程请参考后文。

注:若文件为只读,请将只读属性去除,否则AQ430项目编译可能报错。 
3 INCLUDE.H文件 
  INCLUDES.H 是主头文件,在所有后缀名为.C的文件的开始都包含INCLUDES.H文件。使用INCLUDES.H的好处是所有的.C文件都只包含一个头文件,程序简洁,可读性强。缺点是.C文件可能会包含一些它并不需要的头文件,额外的增加编译时间。与优点相比,多一些编译时间还是可以接受的。用户可以改写INCLUDES.H文件,增加自己的头文件,但必须加在文件末尾。程序清单3-1是为MSP430编写的INCLUDES.H文件的内容。 

程序清单3-1 INCLUDES.H.
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include <ctype.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <in430.h>
 #include <msp430x44x.h>

 #include "OS_CPU.H"
 #include "os_cfg.h"
 #include "uCOS_II.H"
注:此文件中的最后三条包含语句必须用“双引号”,这样AQ430才能在项目文件所在的目录中查找。对于其他文件中包含项目文件所在目录的文件的包含语句都用“双引号”。

四、 OS_CPU.H文件

OS_CPU.H 文件中包含与处理器相关的常量,宏和结构体的定义。程序清单4-1是为MSP430编写的OS_CPU.H文件的内容。

程序清单4-1 OS_CPU.H.
 #ifdef OS_CPU_GLOBALS
 #define OS_CPU_EXT
 #else
 #define OS_CPU_EXT extern
 #endif

/************************************************************************
* 数据类型
* (与编译器相关的内容)
************************************************************************/

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 unsigned 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 unsigned int OS_CPU_SR; /* Define size of CPU status register (SR
= 16 bits) */ 



/************************************************************************
* MSP430 (实模式, 大模式编译)
*
*方法 #1: 用简单指令开关中断。
* 注意,用方法1关闭中断,从调用函数返回后中断会重新打开!

*
*方法 #2: 中断的势能与否与先前的中断状态有关,比如,在进入临界段前中断势能关闭的话,退出临界段时中断势能仍然关闭。


*方法 #3 中断势能与否与先前的中断状态有关。先将状态寄存器SR存储到局部变量CPU_SR中,然后关闭中断,UCOS-II在需要关闭中断的地方都分配一个局部变量CPU_SR,最后通过将CPU_SR的值复制到状态寄存器来恢复中断势能状态。
***********************************************************************/
#define OS_CRITICAL_METHOD 3
#if OS_CRITICAL_METHOD == 1
#define OS_ENTER_CRITICAL() _DINT() /* Disable interrupts*/
#define OS_EXIT_CRITICAL() _EINT() /* Enable interrupts*/
#endif
#if OS_CRITICAL_METHOD == 2#
define OS_ENTER_CRITICAL() /* Disable interrupts*/
#define OS_EXIT_CRITICAL() /* Enable interrupts*/
#endif#if OS_CRITICAL_METHOD == 3#
define OS_ENTER_CRITICAL() (cpu_sr = OSCPUSaveSR())
#define OS_EXIT_CRITICAL() (OSCPURestoreSR(cpu_sr))

#endif
/************************************************************************
*             MSP430 (实模式, 大模式编译)
************************************************************************/
#define OS_STK_GROWTH 1 /* 堆栈由高地址向低地址增长 */

#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() /*任务切换函数 */ 
/************************************************************************
*                全局变量
************************************************************************/
OS_CPU_EXT OS_STK *OSISRStkPtr; /*中断堆栈指针*/
/************************************************************************ 
               定义外部函数************************************************************************/
OS_CPU_SR OSCPUSaveSR(void); /*保存状态寄存器SR*/
void OSCPURestoreSR(OS_CPU_SR cpu_sr); /*恢复状态寄存器SR*/
1 数据类型
由于不同的处理器有不同的字长,μC/OS-II的移植需要重新定义一系列的数据结构。使用AQ430编译器,整数(int)类型数据为16位,长整形(long)为32位。为了读者方便起见,尽管μC/OS-II中没有用到浮点类型的数,在源代码中笔者还是提供了浮点类型的定义。
由于在MSP430实模式中堆栈都是按字进行操作的,没有字节操作,所以AQ430编译器中堆栈数据类型OS_STK声明为16位。所有的堆栈都必须用OS_STK声明。
2、代码临界段
与其他实时系统一样,μC/OS-II在进入系统临界代码区之前要关闭中断,等到退出临界区后再打开。从而保护核心数据不被多任务环境下的其他任务或中断破坏。啊请0支持嵌入汇编语句,所以加入关闭/打开中断的语句是很方便的。μC/OS-II定义了两个宏用来关闭/打开中断:OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。此处,笔者为用户提供三种种开关中断的方法,如下所述的方法1、方法2和方法3。作为一种测试,本书采用了方法1。当然,您可以自由决定采用那种方法。
方法1
第一种方法,也是最简单的方法,是直接将OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()定义为处理器的关闭(_DINT())和打开(_EINT())中断指令。但这种方法有一个隐患,如果在关闭中断后调用μC/OS-II函数,当函数返回后,中断将被打开!严格意义上的关闭中断应该是执行OS_ENTER_CRITICAL()后中断始终是关闭的,方法1显然不满足要求。但方法1的最大优点是简单,执行速度快,在此类操作频繁的时候更为突出。如果在任务中并不在意调用函数返回后是否被中断,推荐用户采用方法1。
方法2
中断的势能与否与先前的中断状态有关,不作任何处理。比如,在进入临界段前中断势能关闭的话,退出临界段时中断势能仍然关闭。
方法3
执行OS_ENTER_CRITICAL()的第三种方法是先将中断关闭的状态保存到堆栈中,然后关闭中断。与之对应的OS_EXIT_CRITICAL()的操作是从堆栈中恢复中断状态。采用此方法,不管用户是在中断关闭还是允许的情况下调用μC/OS-Ⅱ中的函数,在调用过程中都不会改变中断状态。如果用户在中断关闭的情况下调用μC/OS-Ⅱ函数,其实是延长了中断响应时间。虽然OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()可以保护代码的临界段。但如此用法要小心,特别是在调用OSTimeDly()一类函数之前关闭了中断。此时任务将处于延时挂起状态,等待时钟中断,但此时时钟中断是禁止的!则系统可能会崩溃。很明显,所有的PEND调用都会涉及到这个问题,必须十分小心。所以建议用户调用μC/OS-Ⅱ的系统函数之前打开中断。
3、堆栈增长方向
MSP430处理器的堆栈是由高地址向低地址方向增长的,所以常量OS_STK_GROWTH必须设置为1。
4 OS_TASK_SW()
在 μC/OS-II中, 就绪任务的堆栈初始化应该模拟一次中断发生后的样子,堆栈中应该按进栈次序设置好各个寄存器的内容。OS_TASK_SW()函数模拟一次中断过程,在中断返回的时候进行任务切换。中断服务程序(ISR)的入口点必须指向汇编函数OSCtxSw()(请参看文件OS_CPU_A.ASM)。 

五、 OS_CPU_A.ASM
μC/OS-II 的移植需要用户改写OS_CPU_A.ASM中的四个函数:
OSStartHighRdy()
OSCtxSw()
OSIntCtxSw()
OSTickISR()
 实际上,由于AQ430允许在C语句中内嵌汇编语句,所以OS_CPU_A.ASM中的代码可与OS_CPU_C.C合在一起。为了更清楚的理解uCOS在MSP430上的PORT,我们最终还是采用分开的形式。
1、OSStartHighRdy()
  该函数由SStart()函数调用,功能是运行优先级最高的就绪任务,在调用OSStart()之前,用户必须先调用OSInit(),并且已经至少创建了一个任务(请参考OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()函数)。OSStartHighRdy()默认指针OSTCBHighRdy指向优先级最高就绪任务的任务控制块(OS_TCB)(在这之前OSTCBHighRdy已由OSStart()设置好了)。很明显,OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr指向的是任务堆栈的顶端。
函数OSStartHighRdy()的代码见程序清单 
osstarthighrdy()
.pesg code,common    ;可重定位段
_OSStarthighrdy
    call  #_OSTaskSwHook
    mov.b #1, &_OSRunning 
    mov.w SP, &_OSISRStkPtr ; 保存中断堆栈 
    mov.w &_OSTCBHighRdy, R13 ; 装载最高优先级任务堆栈 
    mov.w @R13, SP
    POPALL ; 恢复所有工作寄存器 
    reti ; 模拟中断返回 

2、OSCtxSw()
  OSCtxSw()是一个任务级的任务切换函数(在任务中调用,区别于在中断程序中调OSIntCtxSw())。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重新调度(例如试图唤醒了一个优先级更高的任务),则在函数的末尾会调用OSSched(),如果OSSched()判断需要进行任务调度,会找到该任务控制块OS_TCB的地址,并将该地址拷贝到OSTCBHighRdy,然后通过宏OS_TASK_SW()执行软中断进行任务切换。注意到在此过程中,变量OSTCBCur始终包含一个指向当前运行任务OS_TCB的指针。程序清单5-2为OSCtxSw()的代码。函数和一般函数的区别在于,调用它时需要保存任务环境,并以中断形式返回,即仿效一次中断。任务环境保存完后,将调用用户定义的对外接口函数OSTaskSwHook()。请注意,此时OSTCBCur指向当前任务OS_TCB,OSTCBHighRdy指向新任务的OS_TCB。在OSTaskSwHook()中,用户可以访问这两个任务的OS_TCB。如果不使用对外接口函数,请在头文件中把相应的开关选项关闭,加快任务切换的速度。

程序清单OSCtxSw()

    push sr ;通过保存状态寄存器效仿中断
    PUSHALL ;所有工作寄存器压入堆栈
    mov.w &_OSTCBCur, R13 ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP
    mov.w SP, 0(R13)call #_OSTaskSwHook ; 调用用户定义的对外接口函数
    mov.b &_OSPrioHighRdy, R13 ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy
    mov.b R13, &_OSPrioCur ; 

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