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實時嵌入式操作系統μC／OS-II在MPC555上的移植
摘要：介紹了實時操作系統μC／OS-II的特點和內核結構，并首次實現了μC/OS-II在摩托羅拉處理器MPC555上的移植，介紹了移植后OS的應用方法。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一種占先式、多任務、移植性非常強的免費微控制器嵌入式實時操作系統，從１９９２年出現以來，已在照相機、發動機控制和工業機器人等多種領域中得到應用。它一方面相對ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出來的ＥＯＳ更小巧且移植方便，實時性更好，更適合工業控制領域應用；另一方面由于是免費的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商業實時ＥＯＳ大大節省成本，非常適用于開發實用簡約的嵌入式控制程序。
摩托羅拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ體系結構上，采用ＲＩＳＣ技術的一款高檔、適用于精密控制的微控制器。其芯片內嵌增加了浮點單元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ靜態ＲＡＭ、４４８ＫＢ片內Ｆｌａｓｈ、一個ＱＳＭＣＭ（串行通訊模塊）、兩個ＴｏｕＣＡＮ模塊、兩個ＴＰＵ、一個ＭＩＯＳ（模塊化Ｉ／Ｏ系統）、兩個ＱＡＤＣ模塊，工作頻率達４０ＭＨｚ。另外芯片體積小，僅為２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有這些特性使其特別適用于汽車等現場控制領域的嵌入式微控制系統。
將μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在車用控制器上的應用，其成果也可以用于其他嵌入式工業控制領域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５編譯調試環境。
１ 移植原理
μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中斷管理、任務管理、時間管理、任務之間通信管理和內存管理五方面功能。其結構共分三層，如圖１。Ｉ層為與處理器相關的代碼，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上為ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三個文件。該層完成系統時鐘的設置、出入中斷的管理和任務切換功能，為第ＩＩ層提供接口。ＩＩ層包括時間管理、任務調度管理、任務間的通信管理和內存管理四部分，是ＯＳ的主體部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代碼寫成，與處理器無關，它為用戶應用程序提供接口。ＩＩＩ層是用戶應用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中斷和任務兩個處理級別，用戶可以建立自己的任務，編寫必要的中斷子程，在任務之間或任務與中斷子程之間建立信號量、郵箱或消息隊列完成控制器軟件的編寫。根據以上結構特點，在移植過程中，只需將Ｉ層代碼針對ＭＰＣ５５５的編程結構做相應改動，使其完成系統時鐘設置、中斷管理和任務切換功能即可。
在前后臺系統中，提供一個ＣＰＵ堆棧。發生中斷時，將當前使用到的寄存器壓入堆棧，保存現場，執行中斷程序；中斷程序完成后，從ＣＰＵ堆棧中彈出寄存器的值，恢復現場。
在多任務系統μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是這樣。ＯＳ創建時，為每個任務建立并初始化一個堆棧。當發生中斷或任務切換時，把當前任務運行現場保存起來，即將所有寄存器保存到該“舊”任務的堆棧中。當某個任務需要從就緒狀態激活到運行狀態時，ＯＳ又需將所有寄存器從該“新”任務的堆棧中彈出。這樣，每個任務分時占用ＣＰＵ。而對各任務來說，每次進入運行態時，ＣＰＵ狀態都與上次從運行態退出時完全一樣。所以不再是使用一個ＣＰＵ堆棧，而是多個任務將各自的運行現場保存到自己的堆棧中。
圖2 MPC555下uC/OS-II的中斷處理流程圖
另外，調用Ｃ函數時也會使用到堆棧，此時編譯器會創建一個堆棧；在Ｃ函數返回時，將其釋放。其大小因Ｃ函數使用到的變量和編譯器的不同而不同。在移植時，能夠正確創建、初始化、保存并恢復各個任務的堆棧，是確保ＯＳ任務切換和中斷管理順利完成的關鍵。
ＭＰＣ５５５有３２個３２ｂｉｔ通用定點數寄存器，３２個６４ｂｉｔ浮點數寄存器，另有９個控制／狀態寄存器。針對ＭＰＣ５５５的編程結構，設計如表１的堆棧結構。每次任務環境入棧時創建一含７３個位置的堆棧，為了保證浮點數寄存器的完整，每個位置為６４ｂｉｔ寬。創建任務時，建立該堆棧結構，并用默認值對其進行初始化。在任務保存或激活時把寄存器的值保存到堆棧中相應位置，或者從堆棧的相應位置把寄存器值彈出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作為堆棧指針ＳＰ使用，在堆棧操作時，要注意控制好ＳＰ。
表1 堆棧結構表
328
320～80
72
64
56
48
40
32
24
16
8
0FP31～FP0
FPSCR
GPR31～GPR0
DAR
CTX
LR
XER
CR
SRR1
SRR0
MSR
SP（GPR1）
73～42
41
40～10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
00.0
0x000020FC0000
0x0
0x00
0x00
task*0x100000000[1]
0x00
0x00
0x0000B00200000000
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