在PROTEUS中使用ARM處理器及uC/OS-II移植理解

                                     Rein Lee

一．嵌入式系統(tǒng)概述

通過本次嵌入式系統(tǒng)課程的學習，我了解了嵌入式系統(tǒng)的概念。所謂嵌入式系統(tǒng)，是指用于執(zhí)行獨立功能的專用計算機系統(tǒng)，它由包括微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件，和嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、控制應(yīng)用軟件組成，共同實時諸如實時控制、監(jiān)視、管理、移動計算、數(shù)據(jù)處理等各種自動化處理任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以微電子技術(shù)、控制技術(shù)和通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，強調(diào)硬件軟件的協(xié)同性與整合性，軟件與硬件可裁減，以滿足系統(tǒng)對功能、成本、體積和功耗等要求。

1．1 嵌入式系統(tǒng)的硬件特征

嵌入式系統(tǒng)的硬件必須根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)，以功耗、成本、體積、可靠性、處理能力等為指標來選擇。嵌入式系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。由于存儲空間有限，因而要求軟件代碼緊湊、可靠，大多對實時性有嚴格的要求。

早期的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法，通常是采用“硬件優(yōu)先”原則。在粗略估計軟件任務(wù)需求的情況下，首先進行硬件設(shè)計與實現(xiàn)。然后在此硬件平臺上，再進行軟件設(shè)計。因為很難充分利用硬件軟件資源，取得最佳性能的效果。同時，一旦在測試時發(fā)現(xiàn)問題，需求對設(shè)計進行修改時，整個設(shè)計流程將重新進行，對成本和設(shè)計周期的影響很大。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法只能改善硬件/軟件各自的性能，在有限的設(shè)計空間不可能對系統(tǒng)做出較好的性能綜合優(yōu)化，在很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和反復實驗。

隨著電子系統(tǒng)功能的日益強大和微型化，系統(tǒng)設(shè)計涉及的問題越來越多，難度也越來越大。硬件和軟件也不再是截然分開的兩個概念。因而出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同的設(shè)計方法。在系統(tǒng)目標要求下，協(xié)同設(shè)計軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件能力，得到高性能低代價的優(yōu)化設(shè)計方案。

1．2 嵌入式操作系統(tǒng)

目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類：一類是從運行在個人電腦上的操作系統(tǒng)向下移植到嵌入式系統(tǒng)中，形成的嵌入式系統(tǒng)，如微軟公司的Windows CE，SUN公司的Java操作系統(tǒng)，嵌入式Linux等。

另一類是實時操作系統(tǒng)，如WindRiver公司的VxWorks，ISI的pSOS，ATI的Nucleus，和免費公開源代碼的uC/OS-II等。

二．在Proteus中使用ARM處理器

由于Proteus中只支持LPC系列的ARM處理器，在這里只是簡單的列舉出LPC2124的一些特性：

LPC2124是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微處理器，并帶有256k的嵌入的高速Flash存儲器和16k的片那靜態(tài)RAM。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使得32位代碼能夠在最大的時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式，將使得代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。

LPC2124片那Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。1ms可以編程512字節(jié)。整片擦除只需要400ms。此外還有4路A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低于2.24us；2個32位定時器，6路PWM輸出、RTC、看門狗和多個串行接口。LPC系列微處理器的抗干擾能力強，在很多應(yīng)用中得到了使用。

三．軟件分析

1．LPC的Memory Map、Remap和LPC2124的Bootblock程序

Memory Map是把芯片中、芯片外的Flash、RAM、外設(shè)、BootBlock等進行統(tǒng)一編址，用地址來表示對象。LPC系列ARM處理器的這個地址是出廠時，由廠家規(guī)定的，用戶只能訪問，而不能進行更改。

Remap和Boot，個人理解如下：

在Reset信號周期內(nèi)，LPC2124運行芯片內(nèi)部自帶的Bootblock程序，復位信號過后才是運行用戶的程序。

LPC系列ARM處理器的Bootblock被固化在最高的Flash塊中，運行時是被映射到0x7FFFE000～0x7FFFFFFF區(qū)域，這個程序是廠家寫入的，它由任何復位硬件激活，在任何復位后都會先執(zhí)行Boot裝載程序。之所以要把BootBlock程序放在Flash塊的頂端，是因為各芯片的Flash大小不一致，廠家為了BootBlock在芯片中的位置固定，在編址的2G靠前的位置虛擬劃分一個區(qū)域作為BootBlock區(qū)域。這就是Remap。

BootBlock的工作如下：

1． 判斷P0.14是否為低，如果為低，進入ISP模式。

2． 若P0.14不為低，要判斷Boot（1：0）這兩個腳，如果為11，要設(shè)置MEMAP=1，即運行內(nèi)部Flash。否則設(shè)MEMAP＝3，運行外部Flash。

3． 如果是運行外部Flash，那需要把外部Flash的起始地址重新映射到0x00000000，以便復位信號過后就開始運行用戶程序。

個人理解BootBlock相當于PC中的BIOS，由廠家固化，上電后首先完成映射，即把它的地址映射到0x00000000處，當初始化完成后，就運行內(nèi)部Flash或者外部Flash的程序，通常要以向量表開頭，這個過程就是Remap，也就是把內(nèi)部ROM或者外部Flash的地址映射到0x00000000處。

2．啟動代碼分析

運行完BootBlock程序之后就是要運行用戶自己編寫的啟動代碼了。啟動代碼中最重要的是異常向量表。這個表包括復位、未定義指令、軟中斷、預取指中止、數(shù)據(jù)中止、IRQ中斷和FIQ中斷。

Reset

        LDR     PC, ResetAddr

        LDR     PC, UndefinedAddr

        LDR     PC, SWI_Addr

        LDR     PC, PrefetchAddr

        LDR     PC, DataAbortAddr

        DCD     0xb9205f80 ;插入用戶代碼有效簽名

        LDR     PC, [PC, #-0xff0] ;從VIC處取得IRQ入口地址

        LDR     PC, FIQ_Addr

ResetAddr DCD     ResetInit

UndefinedAddr DCD     Undefined

SWI_Addr DCD     SoftwareInterrupt

PrefetchAddr DCD     PrefetchAbort

DataAbortAddr DCD     DataAbort

Nouse DCD     0

IRQ_Addr DCD     0

FIQ_Addr DCD     FIQ_Handler

Undefined

        B       Undefined ;未定義指令

PrefetchAbort

        B       PrefetchAbort ;取指令中止

;取數(shù)據(jù)中止

DataAbort

        B       DataAbort ;快速中斷

未定義指令、取指令中止、快速中斷使得PC不跳轉(zhuǎn)，進入死循環(huán)，等待看門狗復位用戶程序。對于ARM9，有MMU單元，應(yīng)該在PrefetchAbort和DataAbort處進行處理，然后返回到發(fā)生異常的指令處重新執(zhí)行一次。

FIQ_Handler

        STMFD   SP!, {R0-R3, LR} ;ADS編譯器會自動保存R4-R11

        IMPORT  FIQ_Exception ;也可以在startup.s的開頭引入

BL       FIQ_Exception ;調(diào)用C語言中的中斷服務(wù)程序

        LDMFD   SP!, {R0-R3, LR} ;出棧

        SUBS    PC,  LR,  #4

如果在CPSR中沒有禁止中斷，那么每執(zhí)行一條指令，處理器會檢查是否有FIQ或者IRQ中斷發(fā)生。若有中斷發(fā)生，當且僅當PC指更新后，即處理器對下一條指令進行取指發(fā)生后，處理器才會進入到中斷的服務(wù)程序中。因此保存在LR中的指是PC-4，此處的PC是更新后的PC，由于ARM處理器是三級流水線的結(jié)構(gòu)，因此返回地址是LR-4，返回到的地址是將要執(zhí)行，但是被中斷了指令。

LDR只能實現(xiàn)當前PC 4KB范圍內(nèi)的跳轉(zhuǎn)，而在LDR的不遠處用DCD定義一個字，而在這個字里存放最終的異常服務(wù)程序的入口地址，可以實現(xiàn)在4GB范圍內(nèi)的全范圍跳轉(zhuǎn)。要求整個向量表的累加和為0。

__user_initial_stackheap函數(shù)是對用戶的堆棧進行初始化，對它的調(diào)用是在__main中完成的，對編程人員不可見。__main是ADS編譯系統(tǒng)提供的一個庫函數(shù)，使用__main標號引導系統(tǒng)時，必須將應(yīng)用程序的入口定義為main()。__main完成代碼和數(shù)據(jù)的復制，并且把ZI數(shù)據(jù)區(qū)清零。這一步當代碼和數(shù)據(jù)區(qū)在存儲和運行時處于不同的存儲器位置時有意義。__main保證了系統(tǒng)在進入用戶的應(yīng)用程序前自動完成了系統(tǒng)調(diào)用。但是如果所有的初始化過程都已經(jīng)被用戶代碼顯式地被完成，如堆棧初始化、加載映象、執(zhí)行映象、RW、ZI數(shù)據(jù)的復制等，那么用戶應(yīng)用程序的入口函數(shù)可以任意定義any_name()，完成初始化后，直接B any_name即可。個人建議使用B  __main的方式，防止疏忽出現(xiàn)不必要的錯誤，比如出現(xiàn)程序中的全局變量沒有被正確的初始化等錯誤。

3.IRQ.S分析

通過定義宏：

$IRQ_Label  HANDLER  $IRQ_Exception_Function來實現(xiàn)LPC 2124的多個中斷源共用一段異常處理代碼的目的。

SUB     LR, LR, #4                      ; 計算返回地址

STMFD   SP!, {R0-R3, R12, LR}           ; 保存任務(wù)環(huán)境

進入IRQ中斷，首先計算中斷的返回地址，將LR減4，然后將R0-R3,R12,LR壓入堆棧。由于進入了IRQ中斷，因此堆棧指針是SP_IRQ，和用戶代碼運行的SP_SYS不是同一個寄存器。至于只保存R0-R3,R12，是因為程序在正常運行過程中，R4-R11中裝載的是局部變量，在中斷跳轉(zhuǎn)是ADS編譯器會自動將R4-R11入棧保護。

進行了堆棧保護后，要保存進入中斷之前的CPSR寄存器，以保證完成中斷處理后，使處理器狀態(tài)和沒有發(fā)生中斷一樣。

MRS     R3, SPSR           ; 保存狀態(tài)

STMFD   SP, {R3, SP, LR}^    ; 保存用戶狀態(tài)的R3,SP,LR,注意不能回寫

若STM的寄存器列表中不包含PC，^的作用是保存用戶模式下的寄存器。此操作的目的是用于中斷嵌套。通過定義IRQ模式的堆棧深度，可以控制中斷嵌套的深度。分析整段代碼，一次中斷響應(yīng)需要占用8個32bit的堆棧，定義堆棧深度為n*8，可以允許n級中斷嵌套。

此處^操作符不允許回寫，經(jīng)過AXD仿真驗證，回寫操作會寫入sp_usr而不是sp_irq，此操作屬于不安全的操作，并且編譯之后，ADS編譯器會給出響應(yīng)的警告。

MSR     CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)    ; 切換到系統(tǒng)模式

CMP     R1, #1

LDREQ   SP, =StackUsr

BL      $IRQ_Exception_Function         ; 調(diào)用c語言的中斷處理程序

堆棧操作完成之后，切換到系統(tǒng)模式下運行C語言中定義的中斷復位函數(shù)，才能達到中斷嵌套的目的。

當中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行完畢之后，退出中斷。在uC/OS-II的環(huán)境下考慮，因為IRQ中斷發(fā)生之后，會改變?nèi)蝿?wù)就緒列表，因此需要在中斷退出時確定是否需要進行任務(wù)切換。這點在下面的OS_cpu_a.s中會涉及到。

4．OS_cpu_a.s分析

移植uC/OS-II，需要改寫os_cpu.h，OS_cpu_a.s，OS_cpu_a.c，includes.h幾個文件。在LPC系列的平臺，任務(wù)級的任務(wù)切換和中斷級的任務(wù)切換是通過軟中斷（SWI，Software Interrupt）來完成的。

OS_CPU_A.S中包括SoftwareInterrupt、OSIntCtxSw、OSIntCtxSw_1和__OSStartHighRdy四個函數(shù)。SoftwareInterrupt定義了軟件中斷處理方法，OSIntCtxSw對應(yīng)于中斷級任務(wù)切換和任務(wù)級任務(wù)切換。而__OSStartHighRdy是uC/OS-II啟動時調(diào)用的，調(diào)用新建的優(yōu)先級最高的任務(wù)。這四個函數(shù)的編寫需要很好的了解ARM7的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和完全了解uC/OS-II內(nèi)核運行的原理。

在SoftwareInterrupt主要完成寄存器R0-R3,R12,LR在SVC模式（Supervisor）的堆棧中的保存、取得軟件中斷號并調(diào)用相應(yīng)的處理過程。在OS_CPU.H中可以找到關(guān)于幾個函數(shù)的軟件中斷定義。

__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void);   /*任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)*/

__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void);  /*運行優(yōu)先級最高的任務(wù)*/

__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void) /*關(guān)中斷*/

__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void);  /*開中斷*/

由于SWI中斷是由指令本身引起的，因此發(fā)生中斷時，PC值并沒有更新，所以計算中斷返回地址，并不需要將LR減4，LR指向的就是發(fā)生中斷指令的下一條指令。SWI中斷下堆棧的操作如下指令所示：

LDR     SP, StackSvc            ; 重新設(shè)置堆棧指針

STMFD   SP!, {R0-R3, R12, LR} ; 寄存器入棧

…… ; 軟件中斷處理

LDMFD   SP!, {R0-R3, R12, PC}^ ; 寄存器出棧，返回

OS_TASK_SW是任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)，引起0x00號軟中斷，并最終會跳轉(zhuǎn)到OSIntCtxSw執(zhí)行，OSIntCtxSw也是中斷級任務(wù)切換的函數(shù)。

對OSIntCtxSw的理解，實際上是要理解各個任務(wù)的堆棧設(shè)置。一個任務(wù)正常運行，是運行在user模式下，根據(jù)ARM7的體系結(jié)構(gòu)，user模式的所有寄存器和system模式下的所有寄存器使用同一個物理地址。其他模式R13，R14不同物理地址，FIQ模式R8-R14不同物理地址。其他模式相比user/sys模式，多一個SPSR寄存器，用于保存發(fā)生中斷時的CPSR的備份。因此，當發(fā)生任務(wù)切換，需要保存當前任務(wù)的所有寄存器，即R0-R14。

OSIntCtxSw 

LDR     R2, [SP, #20]                      ;獲取PC (LR_SVC)

LDR     R12, [SP, #16]                     ;獲取R12

MRS     R0, CPSR ;保存當前SVC模式到R0

MSR     CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode) ;切換到系統(tǒng)模式

MOV     R1, LR ;保存LR_sys

STMFD   SP!, {R1-R2}                     ;保存LR_sys, PC (LR_SVC)

STMFD   SP!, {R4-R12}                    ;保存R4-R12

MSR     CPSR_c, R0    ;從R0中恢復到SVC模式

LDMFD   SP!, {R4-R7}                    ;獲取R0-R3，SVC堆棧

ADD     SP, SP, #8                        ;出棧R12,PC，計算SP_SVC

MSR     CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)    ; 切換到系統(tǒng)模式

STMFD   SP!, {R4-R7}                     ;保存R0-R3

需要注意，執(zhí)行MSR CPSR_c, #(NoInt | SYS32Mode)之前的SP是指SP_SVC，而模式切換之后，SP對應(yīng)于SP_user。

注意ADS采用的是滿遞減堆棧。

此段代碼的作用是在系統(tǒng)模式下，依次入棧PC，（即LR_SVC），LR（LR_SYS）R12，R11，……R4。然后切換回SVC模式下出棧R0-R3，在切換回SYSTEM模式下入棧R3，R2，R1，R0。

當以上入棧工作完成之后，再保存OSEnterSum和CPSR即可完成當前任務(wù)的上下文環(huán)境的保存。

LDR     R1, =OsEnterSum                     ;獲取OsEnterSum

LDR     R2, [R1]

STMFD   SP!, {R2, R3}                       ;保存CPSR,OsEnterSum

從上述程序分析可以看出，一個任務(wù)的上下文環(huán)境入棧如下圖所示：

當任務(wù)的入棧工作完成之后，需要把當前的SP_SYS保存到當前任務(wù)TCB塊的棧頂指針。

LDR     R1, =OSTCBCur

LDR     R1, [R1]

STR     SP, [R1]

至此，任務(wù)的上下文保存工作完成，下面需要進行任務(wù)切換。第一步是把就緒列表中最高優(yōu)先級OSPrioHighRdy賦值給OSPrioCur，然后把最高優(yōu)先級任務(wù)對應(yīng)的TCB OSTCBHighRdy賦值給當前任務(wù)TCB OSTCBCur。之后運行到OSIntCtxSw_1，進行新任務(wù)的數(shù)據(jù)出棧，切換到新任務(wù)的運行。

這里值得一提的是以下兩條語句：

ADD     SP, R4, #68 

LDR     LR, [SP, #-8]

之所以對于SP進行加68的操作，是因為此處的SP處理器在系統(tǒng)模式下的堆棧指針，也就是uC/OS-II的用戶程序運行的任務(wù)堆棧指針。即將運行的任務(wù)的數(shù)據(jù)在這兩條語句之后會通過設(shè)置SVC模式下的堆棧出棧，然后就將PC設(shè)置到新任務(wù)的入口處開始運行任務(wù)代碼了。這樣，我們沒有機會再修改即將運行的任務(wù)的堆棧指針了。若在恢復任務(wù)之前，不修改SP_SYS，會導致有數(shù)據(jù)壓棧，有數(shù)據(jù)出棧，但是堆棧指針卻一直向棧底方向運動，沒有往棧頂方向運動的情況出現(xiàn)，任務(wù)長期運行，被切換，那么任務(wù)的堆棧會溢出，出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏。那么之所以是68，是因為任務(wù)的上下文切換是17個寄存器的內(nèi)容，每個寄存器是32bit，所以是68=17*4。

那么LDR     LR, [SP, #-8]的原因又是什么呢？為什么在沒有恢復待運行任務(wù)的數(shù)據(jù)之前，要先恢復系統(tǒng)模式下的LR寄存器呢？原因同上，當新任務(wù)運行后，程序再沒有機會修改系統(tǒng)模式下的LR寄存器了，這樣會導致任務(wù)跑飛。OSIntCtxSw_1的最后一句：LDMFD   SP!, {R0-R12, LR, PC }^，恢復了新任務(wù)。當時仔細調(diào)試程序會發(fā)現(xiàn)，MSR     SPSR_cxsf, R5，恢復處理器模式是在把堆棧的數(shù)據(jù)恢復到PC之后才會改變到系統(tǒng)模式下，因此可以得出結(jié)論，這里出棧的倒數(shù)第二個數(shù)據(jù)，就是寄存器列表中的LR，是SVC模式下的LR，并不是系統(tǒng)模式下的LR。所以，需要在任務(wù)數(shù)據(jù)出棧之前先恢復LR_SYS。

至此，關(guān)于uC/OS-II的移植部分的分析全部完畢。至于OS_CPU_A.C中的一個函數(shù)是初始化任務(wù)堆棧。值得注意的地方是，ADS使用的是滿遞減堆棧。因此需要在OS_CPU.H中把OS_STK_GROWTH設(shè)置為1。

四．uC/OS-II的使用

通過全部閱讀uC/OS-II的代碼，個人總結(jié)了一下uC/OS-II的核心算法。主要是通過對OSUnMapTbl這張表的讀取，才能確定優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。這張表的編碼規(guī)則是：對應(yīng)偏移量的數(shù)值中，出現(xiàn)第一個二進制”1”的位置。由于算出優(yōu)先級最高的任務(wù)是通過查表完成的，因此任務(wù)個數(shù)的多少對于任務(wù)的調(diào)度沒有影響。同樣的道理，對于事件的管理，也是一樣通過OSUnMapTbl來完成的。只要理解了這張表，也就理解了OSRdyGrp、OSRdyTbl[]和OSEventGrp、OSEventTbl[]的使用。唯一的一點不同在于，新建任務(wù)的狀態(tài)是：OS_STAT_RDY，任務(wù)處于就緒態(tài)。而新建事件之后，比如郵箱：新建一個郵箱調(diào)用OSMboxCreate完成，返回申請成功的郵箱地址，然后任務(wù)需要等待郵件的接受，調(diào)用OSMboxPend，通過從對應(yīng)的OSRdyTbl中刪除該任務(wù)，達到掛起任務(wù)的目的。

另外，關(guān)于如何新建任務(wù)，如何使用郵箱、信號量等，關(guān)于uC/OS-II的書籍上都會介紹，這里就不再贅述了。

唯一一點需要注意的是，在開始多任務(wù)之前，也就是調(diào)用OSStart之前，不允許打開時鐘節(jié)拍中斷，防止操作系統(tǒng)崩潰。時鐘節(jié)拍中斷的允許，是在TargetInit中完成的。

五．關(guān)于Proteus仿真、總結(jié)

此次仿真，以LPC2124為處理器，完成了對串口、SPI口、I2C接口和AD接口轉(zhuǎn)換的編程。LCD采用LM4229，T6963C控制器。個人感覺程序比較簡單，在這里就不多加敘述了。

在實際仿真的時候，有一個問題無法解決。

由于LCM接口占用了P0.4到P0.15，因此PWM的輸出我選擇了P0.21，PWM5，我采用單邊輸出，匹配后復位TC的做法。若P0.21接示波器，uC/OS-II就無法正常啟動了。我打開了串口，然后跟蹤調(diào)試，發(fā)現(xiàn)，當程序調(diào)用GUI函數(shù)時，就是運行緩慢，P0.4到P0.11緩慢讀取數(shù)據(jù)，導致串口輸出及其緩慢。開始我以為是LCD驅(qū)動程序關(guān)于PINSEL引腳的使用錯誤，但是，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接口到P1口，P1.24-P1.31，占用JTAG口，使用GPIO功能，上述問題依然。當P0.21設(shè)置為PWM，但不接示波器，卻一切正常。個人認為是PROTEUS本身仿真問題，并不是程序的問題。

通過通讀、調(diào)試uC/OS-II代碼和移植代碼，可以更加深刻地理解嵌入式操作系統(tǒng)的工作原理和ARM處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)。不過，uC/OS-II作為比較簡單的操作系統(tǒng)，還是存在一些不足。比如缺乏文件系統(tǒng)和GUI。相比于uclinux，還是顯得不足更多。未來的路還很長，期待linux的更加深入的學習和使用！