1 引言
在采用前后臺系統軟件設計模式的嵌入式系統中，主程序是一個無限循環，單任務順序執行，通過設置一個或多個中斷來處理異步事件。這種系統對于簡單的應用是可以的，但對于實時性要求比較高的、處理任務較多的應用，就會暴露出實時性差、系統可靠性低、穩定性差等缺點。μC/OS-II 是一個源代碼公開、可移植、可裁剪的實時多任務操作系統，具有低成本、穩定可靠、實時性好等優點，是專門針對微處理器和微控制器設計的實時內核，它的內核可以做到很小，很適合在單片機系統上移植。移植了μC/OS-II 的嵌入式系統可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。
本文選用飛思卡爾(Freescale)公司的16 位單片機S12DG128" title="MC9S12DG128" target="_blank">MC9S12DG128 作為硬件平臺，針對MC9S12DG128 的存儲器組織和體系結構，對μC/OS-II 源代碼作了相應的改寫，最終實現了μC/OS-II 操作系統在MC9S12DG128 上的移植。通過μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植，可以掌握移植和測試μC/OS-II 的實質內容，同時也很容易將其移植到其它的CPU 平臺上。
2 MC9S12DG128 的體系結構(存儲器的組織)
作者認為深刻理解MC9S12DG128 微控制器的體系結構和存儲器組織是移植成功的一個關鍵步驟。MC9S12DG128 是16 位的高性能單片機，它具有極低的電源功耗和可高達25MHz 的內部總線頻率，片內資源包括1KB 的內部寄存器、8KB RAM、128KB FLASH、2KBEEPROM。MC9S12DG128 采用普林斯頓總線結構，程序存儲器、數據存儲器和I/O 端口為統一編址方式，總的尋址空間為64 KB，但DG128 內部有128KB Flash，顯然存儲空間超過了S12MCU 可尋址的64KB 空間，因此引入了頁面訪問機制，S12CPU 在內存的$8000～$BFFF 這一段開了一個窗口，這里有8 個16KB 的頁面(其中$3E 和$3F 有固定地址)，可以通過頁面寄存器(PPAGE)選擇其中的一頁。對于64KB 以外的存儲區，應用專用指令CALL 調用子程序，然后通過RTC 指令返回。
微控制器內部不同的存儲器占用不同的存儲空間，也就是說，不同的地址范圍，它們均占據特定的地址空間，這些存儲器和內部集成模塊的地址分配并不是固定不變的，用戶自己可以重新分配，但建不要輕易改動默認的映射空間，應直接采用默認地址映射空間。圖1 是MC9S12DGl28 復位后的內存空間分配情況。其中，地址$0000～$03FF 為1KB 寄存器空間; $0000～$1FFF 為8KB RAM(可見7KB);$0000～$07FF 為2KBEEPROM(不可見)。
圖1 MC9S12DGl28 復位后的內存空間分布情況
可以通過設置INITRG，INITRM，INIteE 寄存器來重新分配各存儲器的位置。這些寄存器只能寫一次，建議在初始化時分配存儲器的位置。如果映射出現地址重疊時，S12CPU 內部的優先級控制邏輯會自動屏蔽級別較低的資源，保留級別最高的資源。寄存器具有最高優先級，與其重疊的RAM 和EEPROM 此時無效。存儲器的優先級如下表所列。
3 μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植
μC/OS-II 運行時要占用一部分ROM 和RAM 空間，但μC/OS-II 操作系統內核目標代碼最小可以裁剪到小于2KB，MC9S12DG128 有8KB 的RAM 存儲器和128KB 的Flash 存儲器，所以μC/OS-II 操作系統完全可以移植并運行在MC9S12DG128 上。
μC/OS-II 的95%代碼是由ANSI C 寫成的，具有很好的移植性。要實現μC/OS-II向S12 的移植，主要是做兩方面的工作，一是重新定義內核的大小和功能;二是為內核編寫與硬件相關的代碼。μC/OS-II 的文件結構如圖2 所示。
圖2 μC/OS-II 的文件結構
可以看到，μC/OS-II 與CPU 類型無關的C 代碼文件包括很多文件，它們是μC/OS-II的內核和很多功能函數，其中OS_CORE.C、OS_TIME.C 和OS_TASK.C 這三個文件是一定要用的，其他幾個文件用于任務間通信，應用程序中可能只用到其中的幾個，不用的可以不包含進去，以避免編譯時生成沒有代碼。這部分代碼與CPU 類型無關，在移植時，這些文件一個也不要動。
與CPU 類型有關的代碼文件主要有：OS_CFG.H、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPUC.C。OS_CFG.H 是配置文件，需要根據應用配置，主要作用是確定用戶應用程序使用μC/OS-II 提供的哪些系統功能函數，這個文件移植時要修改。OS_CPU.H 文件定義用于特定CPU 的數據類型、定義相關的宏。OS_CPU_A.ASM 是用匯編語言寫的硬件有關的代碼，OS_CPUC.C 文件是用C 語言寫的與硬件有關的代碼。如果移植使用的C 交叉編譯工具在C 代碼中可以插入匯編語句，那么在移植中，可以將OS_CPU_A.ASM 合到S_CPUC.C文件中。
3.1 重新定義內核的大小和功能
公共頭文件INCLUDES.H，這個文件會被所有的C 源程序引用。在本例中此文件的代碼如下。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
前四個頭文件是C 函數庫、預定義的類型等，和移植沒有關系，是否一定要加取決于所用的編譯器。后三個頭文件必須被引用，用戶可以添加自己的頭文件，但一定要放
在最后面。
需要根據應用修改的文件是OS_CFG.H，這個文件用于配置內核的屬性。用于設置與微控制器CPU 核心相關的屬性，包括各種數據類型對應的存儲長度等等。OS_CPU.H 包括了用#define 語句定義的、與處理器相關的常數、宏及類型等。因為不同的處理器有不同的字長，所以μC/OS-II 的移植包括的一系列數據類型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II 代碼不使用語言中的short，int，及long 等數據類型，因為它們是與編譯器相關的，是不可移植的。采用定義的整形數據結構等既是可移植的，又很直觀。
typedef unsigned char BOOLEAN; /* 布爾變量*/
typedef unsigned char INT8U; /* 無符號8 位整型變量*/
typedef signed char INT8S; /* 有符號8 位整型變量 */
typedef unsigned int INT16U; /* 無符號16 位整型變量*/
typedef signed int INT16S; /* 有符號16 位整型變量*/
……
用戶還必須將任務堆棧的數據類型告訴給μC/OS-II。S12CPU 的是堆棧是16 位的，所以定義OS_STK 為INT16U。所有的任務堆棧都必須用OS_STK 來聲明數據類型。
#define OS_STK INT16U /* 堆棧是16 位寬度*/
對于不同的處理器而言，數據入堆棧時堆棧指針的增長方向也是不一樣的，MC9S12DG128 單片機的堆棧指針是由高地址向低地址增長的，所以，要預先設定堆棧的
增長方向:
#define OS_STK_GROWTH 1 /*堆棧指針由高地址向低地址增長*/
μC/OS-II 需要先禁止中斷再訪問代碼的臨界段，并且在訪問完畢后重新允許中斷。這就使得μC/OS-II 能夠保護臨界段代碼免受多任務或中斷服務例程的破壞。禁止和允
許中斷的宏是OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，定義這兩個宏的有三種方法，移植時采用的是方法1，進入臨界代碼前關中斷，脫離臨界代碼后開中斷[2]。方法1在OS_CPU.H 中是這樣定義的：
#if OS_CRITICAL_METHOD == 1 //方法一
#define OS_ENTER_CRITICAL( ) asm SEI
#defien OS_EXIT_CRITICAL () asm CLI
#endif
3.2 編寫與硬件相關的代碼
接下來需要編寫與硬件相關的代碼。這部分代碼可以用C 語言，也可以用匯編語言。移植中與硬件相關的文件中最主要的是OS_CPU_C.C 和匯編文件OS_CPU_A.ASM。由于移植使用的是Metrowerks 公司提供的CodeWarrior CW12 V4.6 版本的C 交叉編譯工具，而CW12 V4.6 允許在C 代碼中插入匯編語句，所以可以把OS_CPU_A.ASM 這個文件合并到OS_CPU_C.C 文件中去。以下是具體的移植過程。
3.2.1 中斷服務子程序OSTickISR()
中斷服務子程序所使用的中斷可以用實時時鐘產生，也可以用單片機片內的定時器模塊來產生。本次移植采用的是用模數計數器產生精確時鐘節拍中斷，用S12 的模數計數器可以實現任意時間的精確中斷，這里的中斷為每秒30 次。
時鐘節拍中斷發生時，CPU12 會自動CPU 把CPU 寄存器推入堆棧，然后是清中斷標志。但是頁面寄存器PPAGE 并沒有被推入堆棧，如果CPU12 的尋址范圍超過了64KB，則要把PPAGE 也推入堆棧，本文中沒有用到PPAGE 寄存器。
時鐘節拍中斷服務子程序可能激活一個優先級高于當前被中斷任務的優先級的任務。時鐘節拍中斷服務子程序要連續調用：OSIntEnter()、OSTimerTick()和OSIntExit()這三個函數。OSIntEnter()通知μC/OS-II 進入中斷服務子程序了。OSTimerTick()給要求延遲若干時鐘節拍的任務延遲計數器減1，減1 后為0 則該任務進入就緒態。
OSIntExit()函數告訴μC/OS-II 時鐘節拍中斷服務子程序結束了，如果這時有更高優先級的任務進入了就緒態，OSIntExit()就會調用中斷級的任務切換函數OSIntCtxSw()做任務切換，以便讓更高的優先級的任務運行。以下是函數代碼：
void OSTickISR(void)
{
/*根據需要決定是否保存PPAGE 寄存器，此處沒有保存*/
OSIntEnter();
MCFLG_MCZF=1; //清除模計數器中斷標志位
OSTimeTick();
OSIntExit(); //退出中斷并進行任務切換
}
3.2.2 任務堆棧初始化函數OSTaskStkInit()
這個C語言寫的函數是與CPU硬件相關的。這個函數初始化任務的堆棧，由建立任務的函數OSTaskCreate()或擴展的建立任務函數OSTaskCreatExit()調用。建立任務的函數帶有4個形式參數，擴展的建立任務的函數有8個參數。其中pdata用于向任務傳遞參數。利用了這個參數將頁面寄存器PPAGE 參數傳給建立的任務。在改寫該函數的時候一定要深刻了解S12CPU在中斷發生時各個CPU寄存器的入棧的順序，否則，μC/OS-II是運行不起來的。中斷發生時S12CPU各個寄存器入棧的順序如圖3所示。由于該函數是被建立任務的函數所調用的，所以各個CPU寄存器的初始值并不重要。但要CCR寄存器的內容需要注意：如果選擇任務啟動后允許中斷發生，則所有的任務運行期間中斷都允許;同樣，如果選擇任務啟動后禁止中斷，則所有的任務都禁止中斷發生，而不能有所選擇。本文選擇在任務啟動時開啟中斷。以下是函數代碼：
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)
{
INT16U *stk;
pt = opt; // ＇opt＇未使用,此處可防止編譯器的警告
stk = (INT16U *)ptos; //載入堆棧指針
*--stk = (INT16U)(pdata); //放置向函數傳遞的參數pdata
*--stk = (INT16U)(task); //函數返回地址PC
*--stk = (INT16U)(0x1122); //寄存器 Y
*--stk = (INT16U)(0x3344); //寄存器 X
((INT8U *)stk)--; // 寄存器A 僅需要1 個字節
*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x55); //寄存器 A
((INT8U *)stk)--; // 寄存器B 僅需要1 個字節
*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x66); //寄存器 B
((INT8U *)stk)--; // 寄存器CCR 僅需要1 個字節
*(INT8U *)stk = (INT8U)(0x00); //寄存器 CCR，開中斷
return ((void *)stk);
}
3.2.3 讓優先級最高的就緒態任務開始運行OSStartHightRdy()
OSStartHighRdy()是在多任務啟動時被OSStart()調用的，μC/OS-II 做完所有的初始化工作之后，OSStart()就啟動運行多任務，而OSStart()調用OSStartHighRdy()函數運行多個就緒任務中優先級最高的任務。注意，堆棧指針總是儲存在任務控制塊的開頭。
圖3 中斷發生時S12CPU寄存器入棧的順序
OSStartHighRdy()將CPU 的堆棧指針SP 的值，改成優先級最高的就緒態任務的堆棧指針的值，然后將該任務的狀態字由非運行態“FALSE”，改為運行態“TRUE”，然后執行中斷返回指令RTI 以開始運行這個任務。以下是詳細代碼：
void OSStartHighRdy(void)
{
OSTaskSwHook(); //調用鉤子函數
asm{
ldx OSTCBCur // 加載OSTCBCur 的地址到 x
lds 0,x //把OSTCBStrPtr 載入堆棧指針 sp
ldaa OSRunning
inca // SRunning = TRUE
staa OSRunning
rti
}
}
3.2.4 任務級任務切換函數OSCtxSw()和中斷級任務切換函數OSIntCtxSw()
任務級的切換是通過執行軟中斷指令來實現的。OSCtxSw()實際上就是軟中斷服務子程序，軟中斷服務子程序的向量地址指向OSCtxSw()。如果當前任務調用μC/OS-II提供的功能函數，并使更高優先級任務進入了就緒狀態，則μC/OS-II 就會借助上面提到的向量地址找到OSCtxSw()。在系統服務調用的最后，μC/OS-II 會調用任務調度函數OSSched()，并由此推斷出當前任務不再是需要運行的最重要的任務。
OSIntCtxSw()函數中的絕大多數代碼同OS_TASK_SW()函數是一樣的。而中斷退出函數則是通過函數OSIntCtxSw()來從ISR 中執行切換功能，區別只是因為ISR 已經保存了CPU 的寄存器，而不再需要在OSIntCtxSw()函數中保存CPU 的寄存器。以下只給出任務級任務切換函數OSCtxSw()的代碼：
void OSCtxSw(void)
{
asm{
ldx OSTCBCur // 加載當前任務的堆棧指針
sts 0,x // 保存到當前任務的TCB 中
}
OSTaskSwHook(); //調用鉤子函數
STCBCur = OSTCBHighRdy; // 改變任務的 OSTCBCur 和OSPrioCur
SPrioCur = OSPrioHighRdy;
asm{
ldx OSTCBCur // 得到新任務的堆棧指針
lds 0,x // 加載新任務的堆棧指針到 sp
rti
}
}
4 移植代碼的測試
為了驗證移植結果是否正確，對移植后μC/OS-II 代碼進行了測試，這是移植中很重要的一個環節。首先對內核自身的運行情況進行了測試，待內核自身的運行正常工作后，又創建三個任務：任務1 通過PORTA 口點亮LED 燈，該任務每秒運行一次;任務2和任務3 都通過串輸出字符串，這兩個任務都是每2 秒運行一次，并通過信號量來實現互斥，以使得每個任務每次運行時均可完成所有字符的輸出。實驗測試證明在μC/OS-II管理與調度下，使得這三個任務都能正確、可靠地相繼運行。
5 小結
通過μC/OS-II在MC9S12DG128上的移植，加深了對μC/OS-II內核工作原理和任務調度實現方法的理解，掌握了μC/OS-II移植的一般方法，測試結果表明移植代碼可以穩定可靠的運行，實現了多任務的管理和調度。μC/OS-II實時操作系統的引入，不但可以提高系統的實時性、可靠性和穩定性，還提高了應用軟件的可移植性，降低了開發人員的工作量。