KEIL MDK环境下uCOS-II在LPC17xx上的移植实例

1. 知识准备

要想对ucos-ii的移植有较深的理解，需要两方面知识：

（1）目标芯片，这里是lpc17xx系列芯片，它们都是基于ARMv7 Cortex-M3内核，所以这一类芯片的ucos-ii移植几乎都是一样的，要想了解Cortex-M3内核，推荐《ARM Cortex-M3权威指南》（宋岩译）；

（2）ucos-ii内核原理，推荐《嵌入式实时操作系统uC/OS-II（第2版）》（邵贝贝译）。

2. 下载文件

ucos-ii移植过程主要涉及三个文件：os_cpu.h, os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c

实际上，一般情况下，我们想要移植的目标芯片前辈们都已经移植成功过了，我们需要做的就是下载就可以了。

需要下载两类文件：

（1）lpc17xx芯片启动/初始化代码：LPC17xx.h, system_LPC17xx.h, core_cm3.h, core_cm3.c, startup_LPC17xx.s和system_LPC17xx.c，这几个文件都可以从lpc官方网站lpc17xx系列芯片的任何一个项目中找到；

（2）ucos-ii移植代码：可以在Micrium官方网站中找到uCOS-II在LPC17xx上的移植代码（IAR平台）。

3. 创建工程

（1）创建文件夹UCOS_II_V289，在该目录下创建子目录APP, lpc17xx, Output, uC-CPU, UCOS-II，在Output下创建obj和list子目录，然后将第2步下载的文件添加进相应的文件夹中，文件拓扑图如下：

UCOS_II_V289
├─APP
│      hello.c
│
├─lpc17xx
│      core_cm3.c
│      core_cm3.h
│      LPC17xx.h
│      startup_LPC17xx.s
│      system_LPC17xx.c
│      system_LPC17xx.h
│      type.h
│
├─Output
│  ├─list
│  └─obj
├─uC-CPU
│      os_cpu.h
│      os_cpu_a.asm
│      os_cpu_c.c
│      os_dbg.c
│
└─uCOS-II
        app_cfg.h
        os_cfg.h
        os_core.c
        os_flag.c
        os_mbox.c
        os_mem.c
        os_mutex.c
        os_q.c
        os_sem.c
        os_task.c
        os_time.c
        os_tmr.c
        ucos_ii.h

其中，hello.c中的文件代码如下：

#include <LPC17xx.h>
#include <ucos_ii.h>

#define TASK_STK_SIZE 512

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE];

void TaskStart(void *data);

int main(void)
{
    OSInit();

    OSTaskCreate(TaskStart, (, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - ], );

    OSStart();

    ;
}

void  TaskStart(void *data)
{
    data=data;

    OS_CPU_SysTickInit(SystemFrequency/);

    for(;;)
    {
        OSCtxSwCtr = ;
        OSTimeDlyHMSM(,,,);
    }
}

（2）Keil uVision4创建新工程，选择UCOS_II_V289作为工程目录，选择芯片型号，需要注意的是当提示“Copy NXP LPC17xx Startup Code to Project Folder and Add File to Project?”时，选择“否”，因为我们已经有这个文件了。创建组，添加相应文件到组，如下所示：

右击“UCOS_II_V289”，更改工程设置：

如果勾选“Run to main()”，那么在仿真的时候，就会跳过启动代码，直接到main函数。

4. 编译

编译，会报很多错误，下面一个一个改：

（1）将os_cpu_a.asm中的“public”改为“EXPORT”；

（2）将os_cpu_a.asm中的

        RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)
        THUMB

改为

        AREA OSKernelschedular,code,READONLY
        THUMB

（3）将os_cfg.h中“OS_APP_HOOKS_EN”、“OS_DEBUG_EN”和“OS_TASK_STAT_EN”设置为0；

（4）将startup_LPC17xx.s中的所有的“PendSVHandler”改为“OS_CPU_PendSVHandler”，所有的“SysTickHandler”改为“OS_CPU_SysTickHandler”。

编译通过。

5. 软件仿真调试

在步骤4中已经设置为软件仿真调试，编译成功后，即可添加断点进行软件仿真调试，查看代码运行是否符合预期。至此，移植结束。

6. 相关说明

（1）启动文件与启动流程

i）启动文件

启动文件为以下几个文件core_cm3.c, core_cm3.h, LPC17xx.h, startup_LPC17xx.s, system_LPC17xx.c 和 system_LPC17xx.h，下面分别说明它们的功能。

startup_LPC17xx.s：该文件是Cortex-M3的启动汇编代码，阅读源代码不难发现，它的作用是：堆和栈的初始化以及向量表的定义。Cortex-M3的向量表其实就是一个32位整数数组，每个下标对应一个向量，该下标元素的值则是该中断服务子程序的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过NVIC（向量中断控制器）中的一个重定位七寸器来指出向量表的地址。复位后，该寄存器的值为0，因此，在地址0处必须包含一张向量表，用于初始时的中断分配。

中断类型	表项地址偏移量	中断向量
0	0x00	MSP的初始值
1	0x04	复位
2	0x08	NMI
…	…	…

其中，向量表中的第一个元素并非中断向量，而是MSP（主堆栈寄存器）的初始值。

LPC17xx.h：该文件是CM3（Cortex-M3，下同）内核芯片的头文件，它定义了芯片寄存器的结构体。

core_cm3.h和core_cm3.c：这两个文件分别是CM3内核芯片的外围驱动头文件和源代码。

system_LPC17xx.h和system_LPC17xx.c：这两个文件为我们提供了一个系统初始化函数SystemInit()，CM3的初始化包括时钟配置、电源管理、功耗管理等。其中时钟配置比较复杂，因为他包括两个PLL倍频电路，一个是主PLL0，主要为系统和USB提供时钟，另一个是PLL1，专门为USB提供48M时钟。默认情况下，系统使用12M外部晶振，通过PLL0倍频到一个较高的频率，之后可以通过分频为CPU、外设以及可选的USB子系统提供精确的时钟。

ii）启动流程

由Cortex-M3的启动步骤可知，系统上电后，首先执行复位的5个步骤：
    ①NVIC复位，控制内核；
    ②NVIC从复位中释放内核；
    ③内核配置堆栈；
    ④从地址0x00000000处取出MSP的初始值，从地址0x00000004处取出PC的初始值——这个值是复位向量；
    ⑤运行复位中断服务子程序；

其中，复位中断服务子程序的代码如下：

Reset_Handler   PROC
                EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]
                IMPORT  SystemInit
                IMPORT  __main
                LDR     R0, =SystemInit
                BLX     R0
                LDR     R0, =__main
                BX      R0
                ENDP

可知，通过复位中断服务子程序，首先引导程序进入SystemInit()函数，然后进入__main（此__main是C_Library中的函数，非main()）。

（2）SysTick定时器、SysTickInit与SysTickHandler

i)SysTick定时器

Cortex-M3内核内部包含了一个简单的定时器——SysTick定时器。SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SysTick中断。一般情况下，操作系统以及所有使用了时基的系统，都必须由硬件定时器来产生需要的“滴答”中断，作为整个系统的时基。SysTick定时器就是用来产生周期性的中断，以维持操作系统“心跳”节律的。SysTick定时器的时钟源可以是内部时钟（FCLK，CM3上的自由运行时钟），或者是外部时钟（CM3上的STCLK信号）。

SysTick定时器能产生中断，CM3为它专门开出一个中断类型，并且在向量表中有它的一席之地——SysTickHandler，它使得操作系统和其它软件系统在CM3内核的移植变得更加简单，因为在所有的CM3微处理器上，SysTick的处理方式都是相同的。

有4个寄存器控制SysTick定时器，下面只介绍其中经常用到的三个：

①SysTick控制及状态寄存器（地址：0xE000E010）

位段	名称	类型	复位值	描述
16	COUNTFLAG	R	0	如果在上次读取本寄存器后，SysTick已经计到了0，则该位为1；如果读取该位，该位自动清0
2	CLKSOURCE	R/W	0	0=外部时钟源（STCLK） 1=内核时钟源（FCLK）
1	TICKINT	R/W	0	1=SysTick倒数计数到0时产生SysTick异常请求 0=倒数到0时无动作
0	ENABLE	R/W	0	SysTick定时器的使能位

②SysTick重装载数值寄存器（地址：0xE000E014）

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	当倒数计数到0时，将被重装载的值

③SysTick当前数值寄存器（地址：0xE000E018）

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	CURRENT	R/Wc	0	读取时返回当前倒数计数的值，写它则使之清零，同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG标志

ii） SysTickInit()函数

该函数用于初始化SysTick定时器，在本移植实例中，它位于os_cpu_c.c文件中，其函数名被更改为“OS_CPU_SysTickInit”，源代码如下：

void  OS_CPU_SysTickInit (INT32U  cnts)
{
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD = cnts - 1u;
                                                 /* 设置SysTickHandler中断优先级为最低优先级           */
    OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST   = OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MIN;
                                                 /* 使能定时器                                      */
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL  |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC | OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLE;
                                                 /* 使能SysTickHandler中断                            */
    OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL  |= OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTEN;
}

第一行用于装载SysTick重装载数值寄存器，其他几行都有注释，在此不再解释。

iii)SysTickHandler

当SysTick定时器倒数计数到0时，将产生SysTick中断，该中断位于向量表15号位置（中断向量号：15，下同）。在本移植实例中，该中断服务子程序的名称被更改为“OS_CPU_SysTickHandler”，其位于os_cpu_c.c文件中，源码如下：

void  OS_CPU_SysTickHandler (void)
{
    OS_CPU_SR  cpu_sr;

    OS_ENTER_CRITICAL();                         /* Tell uC/OS-II that we are starting an ISR          */
    OSIntNesting++;
    OS_EXIT_CRITICAL();

    OSTimeTick();                                /* Call uC/OS-II's OSTimeTick()                       */

    OSIntExit();                                 /* Tell uC/OS-II that we are leaving the ISR          */
}

(3) OSCtxSw与PendSVHandler

i）PendSV中断

Cortex-M3内核内置了一个重要的中断——PendSV中断（可挂起的系统调用）。与SVC中断（系统服务调用，简称系统调用）不同的是，PendSV可以像普通的中断一样被挂起，OS可以利用它“缓期执行”一个中断——直到其他重要的任务完成后才执行动作。挂起PendSV的方法是：手动往NVIC的PendSV挂起寄存器中写1，挂起后，如果该中断优先级不够高，则将缓期等待执行。

PendSV的典型功能是上下文（任务）切换。若在即将做上下文（任务）切换时发现CPU正在响应一个中断，这时，OS是不能执行上下文（任务）切换的，否则将使中断请求被延迟，而这在实时系统中是绝不能容忍的。PendSV可以完美地解决这个问题，PendSV中断会自动延迟上下文（任务）切换的请求，直到其他的中断请求都完成后才响应。为实现这个机制，需要把PendSV的优先级设置为最低，当OS需要做上下文（任务）切换时挂起一个PendSV中断即可。

PendSV中断位于向量表14号位置，在本移植实例中，该中断服务子程序的名称被更改为“OS_CPU_PendSVHandler”，其位于os_cpu_a.asm文件中，源码如下：

OS_CPU_PendSVHandler
    CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer
    CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave                     ; Skip register save the first time

    SUBS    R0, R0, # on process stack
    STM     R0, {R4-R11}

    LDR     R1, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    LDR     R1, [R1]
    STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out

                                                                ; At this point, entire context of process has been saved
OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    PUSH    {R14}                                               ; Save LR exc_return value
    LDR     R0, =OSTaskSwHook                                   ; OSTaskSwHook();
    BLX     R0
    POP     {R14}

    LDR     R0, =OSPrioCur                                      ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
    LDR     R1, =OSPrioHighRdy
    LDRB    R2, [R1]
    STRB    R2, [R0]

    LDR     R0, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    LDR     R1, =OSTCBHighRdy
    LDR     R2, [R1]
    STR     R2, [R0]

    LDR     R0, [R2]                                            ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
    LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4- from new process stack
    ADDS    R0, R0, #0x20
    MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP
    ORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stack
    CPSIE   I
    BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context

    END

ii）OSCtxSw

ucos-ii中，OSCtxSw的功能是上下文（任务）切换。而由上面的介绍可知，真正的切换工作是在PendSV中断中完成的，那么可想而知，OSCtxSw只需触发一个PendSV中断即可完成上下文（任务）切换的工作。OSCtxSw位于os_cpu_a.asm文件中，源码如下：

OSCtxSw
    LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                  ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
    LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     R1, [R0]
    BX      LR

7. 工程源码

工程源码链接：USCO_II_V289.rar

8. 参考资料

[1] 《ARM Cortex-M3权威指南》（宋岩译）

[2] 《嵌入式实时操作系统uC/OS-II（第2版）》（邵贝贝译）

[3] ucosii在stm32上的移植详解系列