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实时嵌入式操作系统μC／OS-II在MPC555上的移植
摘要：介绍了实时操作系统μC／OS-II的特点和内核结构，并首次实现了μC/OS-II在摩托罗拉处理器MPC555上的移植，介绍了移植后OS的应用方法。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是一种占先式、多任务、移植性非常强的免费微控制器嵌入式实时操作系统，从１９９２年出现以来，已在照相机、发动机控制和工业机器人等多种领域中得到应用。它一方面相对ＧＮＵ下Ｌｉｎｕｘ衍生出来的ＥＯＳ更小巧且移植方便，实时性更好，更适合工业控制领域应用；另一方面由于是免费的，比使用ＶｘＷｏｒｋｓ等商业实时ＥＯＳ大大节省成本，非常适用于开发实用简约的嵌入式控制程序。
摩托罗拉的ＭＰＣ５５５是建立在ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构上，采用ＲＩＳＣ技术的一款高档、适用于精密控制的微控制器。其芯片内嵌增加了浮点单元的３２位ＲＣＰＵ核心、２６ＫＢ静态ＲＡＭ、４４８ＫＢ片内Ｆｌａｓｈ、一个ＱＳＭＣＭ（串行通讯模块）、两个ＴｏｕＣＡＮ模块、两个ＴＰＵ、一个ＭＩＯＳ（模块化Ｉ／Ｏ系统）、两个ＱＡＤＣ模块，工作频率达４０ＭＨｚ。另外芯片体积小，仅为２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×０．５ｃｍ。所有这些特性使其特别适用于汽车等现场控制领域的嵌入式微控制系统。
将μＣ／ＯＳ－ＩＩ移植于ＭＰＣ５５５上既有益于ＭＰＣ和μＣ／ＯＳ－ＩＩ在车用控制器上的应用，其成果也可以用于其他嵌入式工业控制领域。本次移植中，使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ｆｏｒ ＰＰＣ ６．５编译调试环境。
１ 移植原理
μＣ／ＯＳ－ＩＩ包括中断管理、任务管理、时间管理、任务之间通信管理和内存管理五方面功能。其结构共分三层，如图１。Ｉ层为与处理器相关的代码，在μＣ／ＯＳ－ＩＩ的Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６版本上为ＯＳ＿ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ和ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ三个文件。该层完成系统时钟的设置、出入中断的管理和任务切换功能，为第ＩＩ层提供接口。ＩＩ层包括时间管理、任务调度管理、任务间的通信管理和内存管理四部分，是ＯＳ的主体部分，全部由ＡＮＳＩ Ｃ代码写成，与处理器无关，它为用户应用程序提供接口。ＩＩＩ层是用户应用程序部分，μＣ／ＯＳ－ＩＩ有中断和任务两个处理级别，用户可以建立自己的任务，编写必要的中断子程，在任务之间或任务与中断子程之间建立信号量、邮箱或消息队列完成控制器软件的编写。根据以上结构特点，在移植过程中，只需将Ｉ层代码针对ＭＰＣ５５５的编程结构做相应改动，使其完成系统时钟设置、中断管理和任务切换功能即可。
在前后台系统中，提供一个ＣＰＵ堆栈。发生中断时，将当前使用到的寄存器压入堆栈，保存现场，执行中断程序；中断程序完成后，从ＣＰＵ堆栈中弹出寄存器的值，恢复现场。
在多任务系统μＣ／ＯＳ－ＩＩ中不是这样。ＯＳ创建时，为每个任务建立并初始化一个堆栈。当发生中断或任务切换时，把当前任务运行现场保存起来，即将所有寄存器保存到该“旧”任务的堆栈中。当某个任务需要从就绪状态激活到运行状态时，ＯＳ又需将所有寄存器从该“新”任务的堆栈中弹出。这样，每个任务分时占用ＣＰＵ。而对各任务来说，每次进入运行态时，ＣＰＵ状态都与上次从运行态退出时完全一样。所以不再是使用一个ＣＰＵ堆栈，而是多个任务将各自的运行现场保存到自己的堆栈中。
图2 MPC555下uC/OS-II的中断处理流程图
另外，调用Ｃ函数时也会使用到堆栈，此时编译器会创建一个堆栈；在Ｃ函数返回时，将其释放。其大小因Ｃ函数使用到的变量和编译器的不同而不同。在移植时，能够正确创建、初始化、保存并恢复各个任务的堆栈，是确保ＯＳ任务切换和中断管理顺利完成的关键。
ＭＰＣ５５５有３２个３２ｂｉｔ通用定点数寄存器，３２个６４ｂｉｔ浮点数寄存器，另有９个控制／状态寄存器。针对ＭＰＣ５５５的编程结构，设计如表１的堆栈结构。每次任务环境入栈时创建一含７３个位置的堆栈，为了保证浮点数寄存器的完整，每个位置为６４ｂｉｔ宽。创建任务时，建立该堆栈结构，并用默认值对其进行初始化。在任务保存或激活时把寄存器的值保存到堆栈中相应位置，或者从堆栈的相应位置把寄存器值弹出。其中ＧＰＲ１被ＭＰＣ作为堆栈指针ＳＰ使用，在堆栈操作时，要注意控制好ＳＰ。
表1 堆栈结构表
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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