第14章 ucosII在80x86上的移植.docx
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第14章ucosII在80x86上的移植
µC/OS-II在80x86上的移植
本章将介绍如何将µC/OS-II移植到Intel80x86系列CPU上,本章所介绍的移植和代码都是针对80x86的实模式的,且编译器在大模式下编译和连接。
本章的内容同样适用于下述CPU:
80186
80286
80386
80486
Pentium
PentiumII
实际上,将要介绍的移植过程适用于所有与80x86兼容的CPU,如AMD,Cyrix,NEC(V-系列)等等。
以Intel的为例只是一种更典型的情况。
80x86CPU每年的产量有数百万,大部分用于个人计算机,但用于嵌入式系统的数量也在不断增加。
最快的处理器(Pentium系列)将在2000年达到1G的工作频率。
大部分支持80x86(实模式)的C编译器都提供了不同的内存使用模式,每一种都有不同的内存组织方式,适用于不同规模的应用程序。
在大模式下,应用程序和数据最大寻址空间为1Mb,程序指针为32位。
下一节将介绍为什么32位指针只用到了其中的20位来寻址(1Mb)。
本章所介绍的内容也适用于8086处理器,但由于8086没有PUSHA指令,移植的时候要用几条PUSH指令来代替。
图F14.1显示了工作在实模式下的80x86处理器的编程模式。
所有的寄存器都是16位,在任务切换时需要保存寄存器内容。
图F14.180x86实模式内部寄存器图.
80x86提供了一种特殊的机制,使得用16位寄存器可以寻址1Mb地址空间,这就是存储器分段的方法。
内存的物理地址用段地址寄存器和偏移量寄存器共同表示。
计算方法是:
段地址寄存器的内容左移4位(乘以16),再加上偏移量寄存器(其他6个寄存器中的一个,AX,BP,SP,SI,DI或IP)的内容,产生可寻址1Mb的20位物理地址。
图F14.2表明了寄存器是如何组合的。
段寄存器可以指向一个内存块,称为一个段。
一个16位的段寄存器可以表示65,536个不同的段,因此可以寻址1,048,576字节。
由于偏移量寄存器也是16位的,所以单个段不能超过64K。
实际操作中,应用程序是由许多小于64K的段组成的。
图F14.2使用段寄存器和偏移量寄存器寻址.
代码段寄存器(CS)指向当前程序运行的代码段起始,堆栈段寄存器(SS)指向程序堆栈段的起始,数据段寄存器指向程序数据区的起始,附加段寄存器(ES)指向一个附加数据存储区。
每次CPU寻址的时候,段寄存器中的某一个会被自动选用,加上偏移量寄存器的内容作为物理地址。
文献中会经常发现用段地址—偏移量表示地址的方法,例如1000:
00FF表示物理地址0x100FF。
14.00开发工具
笔者采用的是BorlandC/C++V3.1和BorlandTurboAssembler汇编器完成程序的移植和测试,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。
编译完成后,程序可在PC机上运行。
本书代码的测试是在一台Pentium-II计算机上完成的,操作系统是MicrosoftWindows95。
实际上编译器生成的是DOS可执行文件,在Windows的DOS窗口中运行。
只要您用的编译器可以产生实模式下的代码,移植工作就可以进行。
如果开发环境不同,就只能麻烦您更改一下编译器和汇编器的设置了。
14.01目录和文件
在安装µC/OS-II的时候,安装程序将把和硬件相关的,针对Intel80x86的代码安装到\SOFTWARE\uCOS-II\Ix86L目录下。
代码是80x86实模式,且在编译器大模式下编译的。
移植部分的代码可在下述文件中找到:
OS_CPU.H,OS_CPU_C.C,和OS_CPU_A.ASM。
14.02INCLUDES.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L14.1是为80x86编写的INCLUDES.H文件的内容。
程序清单L14.1INCLUDES.H.
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include"\software\ucos-ii\ix86l\os_cpu.h"
#include"os_cfg.h"
#include"\software\blocks\pc\source\pc.h"
#include"\software\ucos-ii\source\ucos_ii.h"
14.03OS_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L14.2是为80x86编写的OS_CPU.H文件的内容。
程序清单L14.2OS_CPU.H.
#ifdefOS_CPU_GLOBALS
#defineOS_CPU_EXT
#else
#defineOS_CPU_EXTextern
#endif
/*
*******************************************************************************
*数据类型
*(与编译器相关的内容)
*******************************************************************************
*/
typedefunsignedcharBOOLEAN;
typedefunsignedcharINT8U;/*无符号8位数
(1)*/
typedefsignedcharINT8S;/*带符号8位数*/
typedefunsignedintINT16U;/*无符号16位数*/
typedefsignedintINT16S;/*带符号16位数*/
typedefunsignedlongINT32U;/*无符号32位数*/
typedefsignedlongINT32S;/*带符号32位数*/
typedeffloatFP32;/*单精度浮点数*/
typedefdoubleFP64;/*双精度浮点数*/
typedefunsignedintOS_STK;/*堆栈入口宽度为16位*/
#defineBYTEINT8S/*以下定义的数据类型是为了与uC/OSV1.xx兼容*/
#defineUBYTEINT8U/*在uC/OS-II中并没有实际的用处*/
#defineWORDINT16S
#defineUWORDINT16U
#defineLONGINT32S
#defineULONGINT32U
/*
*******************************************************************************
*Intel80x86(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!
*注意将文件OS_CPU_A.ASM中与OSIntCtxSw()相关的常量从10改到8。
*
*方法#2:
关中断前保存中断被关闭的状态.
*注意将文件OS_CPU_A.ASM中与OSIntCtxSw()相关的常量从8改到10。
*
*
*
*******************************************************************************
*/
#defineOS_CRITICAL_METHOD2
#ifOS_CRITICAL_METHOD==1
#defineOS_ENTER_CRITICAL()asmCLI/*关闭中断*/
#defineOS_EXIT_CRITICAL()asmSTI/*打开中断*/
#endif
#ifOS_CRITICAL_METHOD==2
#defineOS_ENTER_CRITICAL()asm{PUSHF;CLI}/*关闭中断*/
#defineOS_EXIT_CRITICAL()asmPOPF/*打开中断*/
#endif
/*
*******************************************************************************
*Intel80x86(实模式,大模式编译)
*******************************************************************************
*/
#defineOS_STK_GROWTH1/*堆栈由高地址向低地址增长(3)*/
#defineuCOS0x80/*中断向量0x80用于任务切换(4)*/
#defineOS_TASK_SW()asmINTuCOS(5)
/*
*******************************************************************************
*全局变量
*******************************************************************************
*/
OS_CPU_EXTINT8UOSTickDOSCtr;/*为调用DOS时钟中断而定义的计数器*/
(6)*/
14.03.01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BorlandC/C++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80x86实模式中堆栈都是按字进行操作的,没有字节操作,所以BorlandC/C++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。
14.03.02代码临界区
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。
BorlandC/C++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,笔者为用户提供两种开关中断的方法,如下所述的方法1和方法2。
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(CLI)和打开(STI)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(只有一条指令),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。
此时需要将OSIntCtxSw()中的常量由10改到8(见文件OS_CPU_A.ASM)。
方法2
执行OS_ENTER_CRITICAL()的第二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。
14.03.03堆栈增长方向
80x86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[程序清单L14.2(3)]。
14.03.04OS_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。
80x86提供了256个软中断源可供选用,中断服务程序(ISR)(也称为例外处理过程)的入口点必须指向汇编函数OSCtxSw()(请参看文件OS_CPU_A.ASM)。
由于笔者是在PC机上测试代码的,本章的代码用到了中断号128(0x80),因为此中断号是提供给用户使用的[程序清单L14.2(4)](PC和操作系统会占用一部分中断资源—译者注),类似的用户可用中断号还有0x4B到0x5B,0x5D到0x66,或者0x68到0x6F。
如果用户用的不是PC,而是其他嵌入式系统,如80186处理器,用户可能有更多的中断资源可供选用。
14.03.05时钟节拍的发生频率
实时系统中时钟节拍的发生频率应该设置为10到100Hz。
通常(但不是必须的)为了方便计算设为整数。
不幸的是,在PC中,系统缺省的时钟节拍频率是18.20648Hz,这对于我们的计算和设置都不方便。
本章中,笔者将更改PC的时钟节拍频率到200Hz(间隔5ms)。
一方面200Hz近似18.20648Hz的11倍,可以经过11次延时再调用DOS中断;另一方面,在DOS中,有些操作要求时钟间隔为54.93ms,我们设定的间隔5ms也可以满足要求。
如果您的PC机处理器是80386,时钟节拍最快也只能到200Hz,而如果是PentiumII处理器,则达到200Hz以上没有问题。
在文件OS_CPU.H的末尾声明了一个8位变量OSTickDOSCtr,将保存时钟节拍发生的次数,每发生11次,调用DOS的时钟节拍函数一次,从而实现与DOS时钟的同步。
OSTickDOSCtr是专门为PC环境而声明的,如果在其他非PC的系统中运行µC/OS-II,就不用这种同步方法,直接设定时钟节拍发生频率就行了。
14.04OS_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()
14.04.01OSStartHighRdy()
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)。
图F14.3给出了由函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()创建的任务的堆栈结构。
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L14.3。
图F14.3任务创立时的80x86堆栈结构.
为了启动任务,OSStartHighRdy()从任务控制块(OS_TCB)[程序清单L14.3
(1)]中找到指向堆栈的指针,然后运行POPDS[程序清单L14.3
(2)],POPES[程序清单L14.3(3)],POPA[程序清单L14.3(4)],和IRET[程序清单L14.3(5)]指令。
此处笔者将任务堆栈指针保存在任务控制块的开头,这样使得堆栈指针的存取在汇编语言中更容易操作。
当执行了IRET指令后,CPU会从(SS:
SP)指向的堆栈中恢复各个寄存器的值并执行中断前的指令。
SS:
SP+4指向传递给任务的参数pdata。
程序清单L14.3OSStartHighRdy().
_OSStartHighRdyPROCFAR
MOVAX,SEG_OSTCBHighRdy;载入DS
MOVDS,AX;
LESBX,DWORDPTRDS:
_OSTCBHighRdy;SS:
SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr
(1)
MOVSS,ES:
[BX+2];
MOVSP,ES:
[BX+0];
;
POPDS;恢复任务环境
(2)
POPES;(3)
POPA;(4)
;
IRET;运行任务(5)
_OSStartHighRdyENDP
14.04.02OSCtxSw()
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用的OSIntCtxSw())。
在80x86系统上,它通过执行一条软中断的指令来实现任务切换。
软中断向量指向OSCtxSw()。
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L14.4为OSCtxSw()的代码。
图F14.4是任务被挂起或被唤醒时的堆栈结构。
在80x86处理器上,任务调用OS_TASK_SW()执行软中断指令后[图F14.4/程序清单L14.4
(1)],先向堆栈中压入返回地址(段地址和偏移量),然后是状态字寄存器SW。
紧接着用PUSHA[图F14.4/程序清单L14.4
(2)],PUSHES[图F14.4/程序清单L14.4(3)],和PUSHDS[图F14.4/程序清单L14.4(4)]保存任务运行环境。
最后用OSCtxSw()在任务OS_TCB中保存SS和SP寄存器。
任务环境保存完后,将调用用户定义的对外接口函数OSTaskSwHook()[程序清单L14.4(6)]。
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L14.4OSCtxSw().
_OSCtxSwPROCFAR
(1)
;
PUSHA;保存当前任务环境
(2)
PUSHES(3)
PUSHDS(4)
;
MOVAX,SEG_OSTCBCur;载入DS
MOVDS,AX
;
LESBX,DWORDPTRDS:
_OSTCBCur;OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SS:
S(5)
MOVES:
[BX+2],SS
MOVES:
[BX+0],SP
;
CALLFARPTR_OSTaskSwHook(6)
;
MOVAX,WORDPTRDS:
_OSTCBHighRdy+2;OSTCBCur=OSTCBHighRdy(7)
MOVDX,WORDPTRDS:
_OSTCBHighRdy
MOVWORDPTRDS:
_OSTCBCur+2,AX
MOVWORDPTRDS:
_OSTCBCur,DX
;
MOVAL,BYTEPTRDS:
_OSPrioHighRdy;OSPrioCur=OSPrioHighRdy(8)
MOVBYTEPTRDS:
_OSPrioCur,AL
;
LESBX,DWORDPTRDS:
_OSTCBHighRdy;SS:
SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr(9)
MOVSS,ES:
[BX+2]
MOVSP,ES:
[BX]
;
POPDS;载入新任务的CPU环境(10)
POPES(11)
POPA(12)
;
IRET;返回新任务(13)
;
_OSCtxSwENDP
从对外接口函数OSTaskSwHook()返回后,由于任务的更替,变量OSTCBHighRdy被拷贝到OSTCBCur中[程序清单L14.4(7)],同样,OSPrioHighRdy被拷贝到OSPrioCur中[程序清单L14.4(8)]。
OSCtxSw()将载入新任务的CPU环境,首先从新任务OS_TCB中取出SS和SP寄存器的值[图F14.4(6)/程序清单L14.4(9)],然后运行POPDS[图F14.4(7)/程序清单L14.4(10)],POPES[图F14.4(8)/程序清单L14.4(11)],POPA[图F14.4(9)/程序清单L14.4(12)]取出其他寄存器的值,最后用中断返回指令IRET[图F14.4(10)/L14.4(13)]完成任务切换。
需要注意的是在运行OSCtxSw()和OSTaskSwHook()函数期间,中断是禁止的。
14.04.03OSIntCtxSw()
在µC/OS-II中,由于中断的产生可能会引起任务切换,在中断服务程序的最后会调用OSIntExit()函数检查任务就绪状态,如果需要进行任务切换,将调用OSIntCtxSw()。
所以OSIntCtxSw()又称为中断级的任务切换函数。
由于在调用OSIntCtxSw()之前已经发生了中断,OSIntCtxSw()将默认CPU寄存器已经保存在被中断任务的堆栈中了。
图F14.4任务级任务切换时的80x86堆栈结构.
程序清单L14.5给出的代码大部分与OSCtxSw()的代码相同,不同之处是,第一,由于中断已经发生,此处不需要再保存CPU寄
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