uCOS II在ARM處理器上移植過程中的中斷處理

uCOS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可剪裁和搶占式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源碼是用ANSI C編寫，與處理器硬件相關(guān)的部分使用匯編語言編寫?？偭考s200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，以便于移植到任何一種其它的CPU上。

uCOS II最多可支持56個任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，總是執(zhí)行就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，并支持Semaphore (信號量)、Mailbox (郵箱)、MessageQueue(消息隊列)等多種常用的進程間通信機制。與大多商用RTOS不同的是，uCOS II公開所有的源代碼.并可以免費獲得，只對商業(yè)應(yīng)用收取少量License費用。

uCOS II移植跟OS_CUP_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H 3個文件有關(guān)，中斷處理的移植占據(jù)了很大一部分內(nèi)容。作為移植的一個重點，本文以標準中斷(IRQ)為例討論了移植中的中斷處理。

1 uCOS II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

uCOS II的軟硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1。應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層.每個任務(wù)都可以認為自己獨占了CPU，因而可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。大部分代碼是使用ANSI C語言書寫的，因此uCOS II的可移植性較好。盡管如此，仍然需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)的代碼。uCOS II的移植需要滿足以下要求：

1)處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼：可以使用C調(diào)用進入和退出Critical Code(臨界區(qū)代碼)；

2)處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；

3)處理器需能容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧；

4)處理器需有能在CPU寄存器與內(nèi)存和堆棧交換數(shù)據(jù)的指令。

移植uCOS II的主要工作就是處理器和編譯器相關(guān)代碼以及BSP(Board Support Package)的編寫。uCOS II處理器無關(guān)的代碼提供uCOS II的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理、任務(wù)間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。

2 uCOS II移植過程中需要注意的幾個問題

uCOS II移植的中斷處理跟ARM體系結(jié)構(gòu)和uCOS II處理中斷的過程有關(guān)，必須注意這2個方面的問題才能高效移植。

2.1 ARM 處理器7種操作模式

用戶模式(USER MODE)是ARM 通常執(zhí)行狀態(tài)，用于執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用程序；快速中斷模式(FIQ MODE)支持數(shù)據(jù)傳輸或通道處理；中斷模式(IRQ MODE)用于通用中斷處理；超級用戶模式(SVC MODE)是一種操作系統(tǒng)受保護的模式：數(shù)據(jù)中止模式(ABT MODE)指令預(yù)取指中止、數(shù)據(jù)中止時進入該模式；未定義模式(UND MODE)當執(zhí)行未定義的指令時進入該模式；系統(tǒng)模式(SYS MODE)是操作系統(tǒng)一種特許的用戶模式。

除了用戶模式之外，其他模式都歸為特權(quán)模式，特權(quán)模式用于中斷服務(wù)、異常或者訪問受保護的資源

特權(quán)模式中除系統(tǒng)模式之外另5種模式又稱為異常模式，在移植過程中必須設(shè)置中斷向量表來處理異常。uCOS II的移植主要處理標準中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷(SWI)。

2.2 uCOS II中斷響應(yīng)的過程

以IRQ中斷為例，假設(shè)CRPS中I_bit位為0，當有IRQ中斷時，CPU強制進入IRQ模式，當前的CPSR拷貝到SPSR_irq中，PC值保存在LR_irq中，置CPSR中的I位以關(guān)閉IRQ中斷。數(shù)據(jù)保存之后，CPU強行從0X00000018開始執(zhí)行，PC值保存了OS_CPU_IRQ_ISR()的地址， 然后執(zhí)行OS_CPU_IRQ_ISR()。在OS_CPU_IRQ_ISR()中OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()被調(diào)用來檢測中斷源并執(zhí)行中斷。OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()返回以后，OS_CPU_IRQ_ISR()又調(diào)用OSIntExit()來確認是否有比ISR優(yōu)先級更高的任務(wù)要執(zhí)行。如果當前中斷任務(wù)仍然是優(yōu)先級最高的任務(wù)，OSIntExit()返回，OS_CPU_IRQ_ISR()彈出中斷堆棧，如果優(yōu)先級更高的任務(wù)需要執(zhí)行，OSIntExit()調(diào)用OSIntCtxSw()執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)。

2.3 uCOS II的臨界段代碼

uCOS II使用關(guān)中斷來保護臨界代碼。它定義了2個宏來開中斷(OS_EXIT_CRITICAL())，關(guān)中斷(OS_ENTER_CRITICAL())。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()有3種方法來實現(xiàn)，uCOS II建議使用第3種方法可以保存當前處理器狀態(tài)的值。

3 uCOS II移植過程中的中斷處理

uCOS II中斷處理跟CRT.S、OS_CPU_A.S和BSP.C有關(guān)，其移植過程主要有以下幾個步驟。

3.1 在CRT.S中設(shè)置中斷向量表

ARM的中斷向量表位于ROM 的最底部，其地址范圍為0X00000000～0X0000001C，設(shè)置如下：

VECTORS:LDR PC,RESET_ADDR

LDR PC,UNDEF_ADDR

LDR PC,SWI_ADDR

LDR PC,PABT_ADDR

LDR PC,DABT_ADDR

NOP /*保留向量*/

LDR PC,IRQ_ADDR

LDR PC,FIQ_ADDR

RESET_ADDR:. WORD RESET_HANDLER

UNDEF_ADDR:.WORD UNDEF—HANDLER

SWI_ADDR:.WORD SWI HANDLER

PABT_ADDR:.WORD PABT_HANDLER

DABT_ADDR:.WORD DABT_ HANDLER

.WORD 0 /*保留地址*/

IRQ_ADDR:.WORD IRQ_HANDLER

FIQ_ADDR:.WORD FIQ HANDLER

UNDEF_HANDLER:B UNDEF_HANDLER

SWI_HANDLER: B SWI_HANDLER

PABT_HANDLER: B PABT_HANDLER

DABT_HANDLER: B DABT_HANDLER

IRQ_HANDLER: B OS_CPU_IRQ_ISR

/*跳轉(zhuǎn)到OS_CPU_IRQ_ISR(在OS_CPU_A.S中)*/

FIQ_HANDLER： B OS_CPU_FIQ_ISR

/*跳轉(zhuǎn)到OS_CPU_FIQ_ISR(在OS_CPU_A.S中) */

這里設(shè)置了標準中斷異常(IRQ)和快速中斷異常(FIQ)的中斷入口，其余異常都設(shè)置為死循環(huán)，當發(fā)生這些異常的時候，必須使系統(tǒng)復(fù)位才能退出死循環(huán)。

3.2 移植中斷任務(wù)切換

中斷任務(wù)切換(OSIntCtxSw)和任務(wù)切換函數(shù)(OSCtxSw)比較相似，主要有以下幾步組成：

1)調(diào)用OSTask SwHook()

2)OSPrioCur=OSPrioHighRdy

3)OSTCBCur=OSTCBHighRdy

4)SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr

//獲取高優(yōu)先級的任務(wù)堆棧指針

5)從高優(yōu)先級的任務(wù)的堆棧中彈出高優(yōu)先級的任務(wù)上下文

6)執(zhí)行高優(yōu)先級的任務(wù)

3.3 移植中斷服務(wù)程序

以IRQ中斷為例中斷服務(wù)程序(OS_CPU_IRQ_ISR)主要依據(jù)上面所描述的“uCOS II中斷響應(yīng)的過程”編寫，其主要代碼如下：

……

LDR R0,OS_IntNesting

LDRB R1,[R0]

ADD R1,R1,#1

STRB R1,[R0]

CMP R1,#l

BNE OS_CPU_IRQ_ISR_1

LDR R4,OS_TCBCur

LDR R5,[R4]

STR SP,[R5]

OS_CPU_IRQ_ISR_1:

MSR CPSR_c,#(NO_INT | IRQ32_MODE)

//切換到SVC模式

LDR R0,OS_CPU_IRQ_ISR_Handler

MOV LR,PC

BX R0

MSR CPSR_c,#(NO_INT | SVC32_MODE)

//切換到SVC模式

LDRR0,OS_IntExit //OSIntExit()

MOV LR,PC

BX R0

……

在代碼中省略了現(xiàn)場工作寄存器的保護與恢復(fù)及工作模式的切換。

3.4 移植中斷處理程序

以IRQ中斷為例，移植中斷處理程序：

void OS_CPU_IRQ_ISR_Handler(void) 
{ 
    PFNCT pfnct; //定義中斷函數(shù)指針
    pfnct=(PFNCT)VICVectAddr; //獲取函數(shù)地址
    while(pfnct!=(PFNCT)0) 
    { 
        (*pfnct)()； //調(diào)用中斷函數(shù)
        pfnct=(PFNCT)VICVectAddr； //獲取新的中斷函數(shù)
    } //所有中斷都執(zhí)行完畢退出
} 

中斷處理程序依賴中斷控制器的中斷響應(yīng)順序，所以uCOS II把OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()歸屬于用戶程序的一部分。在中斷返回之前，中斷處理程序要處理完所有的中斷響應(yīng)，以避免在多個中斷同時響應(yīng)或中斷處理過程中響應(yīng)中斷的情況下， 進入OS_CPU_IRQ_ISR () 和退出OS_CPU_IRQ_ISR()時，OS_CPU_IRQ_ISR()耗盡保存CPU寄存器的堆棧空間。

另外，在OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()中不要清CPSR的I位來開放中斷，因為沒有必要使用中斷嵌套，OS_CPU_IRQ_ISR_Handler()在返回之前會檢查并處理所有的中斷。

3.5 編寫中斷函數(shù)

中斷函數(shù)一般采用C語言編寫，uCOS II建議中斷函數(shù)應(yīng)盡量短，一般做法是在中斷函數(shù)中緩存數(shù)據(jù)，給任務(wù)發(fā)送一個信號來處理數(shù)據(jù)。中斷函數(shù)的地址在系統(tǒng)初始化的時候要置人中斷向量寄存器(VICVectAddr0～15)。由于向量中斷控制器(VIC)的特殊結(jié)構(gòu)，在中斷函數(shù)中要寫一次中斷向量寄存器(VICVectAddr)。

4 中斷處理的應(yīng)用示例

uCOS II要提供周期性信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時。節(jié)拍率應(yīng)為10～100 Hz。時鐘節(jié)拍源可以由專門的硬件定時器產(chǎn)生，以下就以IRQ中斷方式產(chǎn)生節(jié)拍源為示例。

初始化中斷控制器：

void VICInit(void) 
{ 
    VICIntEnClr=0xfffff; 
    VICDefVectAddr=-(INT32U)Non_Vect_IRQ_Handler; 
    VICVectAddr0= (INT32U)OSTickISR; 
    VICVectCntl0= (0x20 | 0x04); 
    VICIntEnable= 1<<4; 
} 

定時器0中斷函數(shù)：

void OSTickISR(void) 
{ 
    TO_IR = 0xff； 
    OSTimeTick()； //調(diào)用OSTimeTick()
    VICVectAddr=0; //通知中斷控制器中斷結(jié)束
} 

當定時中斷發(fā)生時調(diào)用OS_CPU_IRQ_ISR Handler()，得到OSTickISR()的地址并執(zhí)行，在OSTickISR()中調(diào)用OSTimeTick()為uCOS II提供周期性信號源。

此代碼在GNU工具鏈ARM-GCC下編譯通過，并在EasyARM2100開發(fā)實驗板上得到驗證。

5 結(jié)束語

通過示例講述了在uCOS II移植過程中的中斷處理所需要注意的幾個問題和通用方法，經(jīng)筆者在GNU工具鏈下編譯、調(diào)試，并在實驗板上得到很好的驗證。這種移植方案的中斷函數(shù)都使用C語言編寫，具有較好的移植性，有利于對不同需求的用戶進行中斷擴充，增強了中斷嵌套時uCOS II運行的穩(wěn)定性，使移植具有更好的通用性。