嵌入式实时操作系统μC/OS-II在S12单片机上的移植

1 引言

在采用前后台系统软件设计模式的嵌入式系统中，主程序是一个无限循环，单任务顺序执行，通过设置一个或多个中断来处理异步事件。这种系统对于简单的应用是可以的，但对于实时性要求比较高的、处理任务较多的应用，就会暴露出实时性差、系统可靠性低、稳定性差等缺点。μC/OS-II 是一个源代码公开、可移植、可裁剪的实时多任务操作系统，具有低成本、稳定可靠、实时性好等优点，是专门针对微处理器和微控制器设计的实时内核，它的内核可以做到很小，很适合在单片机系统上移植。移植了μC/OS-II 的嵌入式系统可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。本文选用飞思卡尔(Freescale)公司的16 位单片机MC9S12DG128 作为硬件平台，针对MC9S12DG128 的存储器组织和体系结构，对μC/OS-II 源代码作了相应的改写，最终实现了μC/OS-II 操作系统在MC9S12DG128 上的移植。通过μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植，可以掌握移植和测试μC/OS-II 的实质内容，同时也很容易将其移植到其它的CPU 平台上。

2 MC9S12DG128 的体系结构(存储器的组织)

作者认为深刻理解MC9S12DG128 微控制器的体系结构和存储器组织是移植成功的一个关键步骤。MC9S12DG128 是16 位的高性能单片机，它具有极低的电源功耗和可高达25MHz 的内部总线频率，片内资源包括1KB 的内部寄存器、8KB RAM、128KB FLASH、2KBEEPROM。MC9S12DG128 采用普林斯顿总线结构，程序存储器、数据存储器和I/O 端口为统一编址方式，总的寻址空间为64 KB，但DG128 内部有128KB Flash，显然存储空间超过了S12MCU 可寻址的64KB 空间，因此引入了页面访问机制，S12CPU 在内存的$8000～$BFFF 这一段开了一个窗口，这里有8 个16KB 的页面(其中$3E 和$3F 有固定地址)，可以通过页面寄存器(PPAGE)选择其中的一页。对于64KB 以外的存储区，应用专用指令CALL 调用子程序，然后通过RTC 指令返回。

微控制器内部不同的存储器占用不同的存储空间，也就是说，不同的地址范围，它们均占据特定的地址空间，这些存储器和内部集成模块的地址分配并不是固定不变的，用户自己可以重新分配，但建不要轻易改动默认的映射空间，应直接采用默认地址映射空间。图1 是MC9S12DGl28 复位后的内存空间分配情况。其中，地址$0000～$03FF 为1KB 寄存器空间; $0000～$1FFF 为8KB RAM(可见7KB);$0000～$07FF 为2KBEEPROM(不可见)。

图1 MC9S12DGl28 复位后的内存空间分布情况

可以通过设置INITRG，INITRM，INIteE 寄存器来重新分配各存储器的位置。这些寄存器只能写一次，建议在初始化时分配存储器的位置。如果映射出现地址重叠时，S12CPU 内部的优先级控制逻辑会自动屏蔽级别较低的资源，保留级别最高的资源。寄存器具有最高优先级，与其重叠的RAM 和EEPROM 此时无效。存储器的优先级如下表所列。

3 μC/OS-II 在MC9S12DG128 上的移植

μC/OS-II 运行时要占用一部分ROM 和RAM 空间，但μC/OS-II 操作系统内核目标代码最小可以裁剪到小于2KB，MC9S12DG128 有8KB 的RAM 存储器和128KB 的Flash 存储器，所以μC/OS-II 操作系统完全可以移植并运行在MC9S12DG128 上。

μC/OS-II 的95%代码是由ANSI C 写成的，具有很好的移植性。要实现μC/OS-II向S12 的移植，主要是做两方面的工作，一是重新定义内核的大小和功能;二是为内核编写与硬件相关的代码。μC/OS-II 的文件结构如图2 所示。

图2 μC/OS-II 的文件结构

可以看到，μC/OS-II 与CPU 类型无关的C 代码文件包括很多文件，它们是μC/OS-II的内核和很多功能函数，其中OS_CORE.C、OS_TIME.C 和OS_TASK.C 这三个文件是一定要用的，其他几个文件用于任务间通信，应用程序中可能只用到其中的几个，不用的可以不包含进去，以避免编译时生成没有代码。这部分代码与CPU 类型无关，在移植时，这些文件一个也不要动。

与CPU 类型有关的代码文件主要有：OS_CFG.H、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPUC.C。OS_CFG.H 是配置文件，需要根据应用配置，主要作用是确定用户应用程序使用μC/OS-II 提供的哪些系统功能函数，这个文件移植时要修改。OS_CPU.H 文件定义用于特定CPU 的数据类型、定义相关的宏。OS_CPU_A.ASM 是用汇编语言写的硬件有关的代码，OS_CPUC.C 文件是用C 语言写的与硬件有关的代码。如果移植使用的C 交叉编译工具在C 代码中可以插入汇编语句，那么在移植中，可以将OS_CPU_A.A