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基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究論文

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基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究論文

  嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中。簡單的說就是系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)的硬件一體化,類似與BIOS的工作方式。具有軟件代碼小,高度自動化,響應(yīng)速度快等特點。特別適合于要求實時的和多任務(wù)的體系。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的:基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究相關(guān)論文,內(nèi)容僅供參考,歡迎閱讀!

  基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)研究全文如下:

  摘要:本文介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念,分析了μC/OS的內(nèi)核結(jié)構(gòu),并詳細(xì)介紹了在具有ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C44B0微處理器上進(jìn)行μC/OS操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序及驅(qū)動程序的開發(fā)。

  關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng) μc/os 微處理器

  一、嵌入式系統(tǒng)概述

  嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物,目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到日常生活的各個方面,其在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍都不斷擴(kuò)大,嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的正式定義為:以應(yīng)用為中心,以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件硬件可裁減,符合應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的主要特征有:系統(tǒng)內(nèi)核小;專用性強(qiáng);系統(tǒng)精簡;嵌入式軟件要求高實時性的操作系統(tǒng)軟件;軟件要求高質(zhì)量和高可靠性;嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。

  嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成,在本開發(fā)應(yīng)用中,選擇ARM7TDMI內(nèi)核結(jié)構(gòu)的samsung公司的s3c44b0作為微處理器芯片,該芯片具有主頻高、運(yùn)算速度快,超低功耗、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單等特點,在該內(nèi)核基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍器件,主要有:片內(nèi)8KB高速緩存、帶有1個專用DMA通道的LCD控制器、2個通用DMA通道、1個多主機(jī)I2C總線控制器、5個PWM定時器及1個內(nèi)部定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、8個10位ADC等資源,主頻為66MHZ,系統(tǒng)支持大小端模式,共256MB的地址空間,支持8/16/32位數(shù)據(jù)總線編程。

  開發(fā)平臺外配與用戶交互接口有RS-232串口電路、外擴(kuò)flash、sdram,USB控制電路、以太網(wǎng)電路、鍵盤,JTAG接口電路部分。

  實時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,大體上可以分為兩種:商用型和免費(fèi)型,前者系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠,并有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù),建立應(yīng)用開發(fā)較為容易,但價格昂貴,代表性的有美國WindRiver公司的VxWorks操作系統(tǒng)、Microsoft公司的WinCE操作系統(tǒng);免費(fèi)型可以節(jié)約成本,且源碼公開,便于開發(fā),代表性的有嵌入式Linux系統(tǒng)、μC/OS系統(tǒng)。

  二、嵌入式μC/OS的體系結(jié)構(gòu)介紹

  由于μC/OS結(jié)構(gòu)簡單,編程工具絕大部分是C語言編程,可以在大多數(shù)界面友好的編譯器中編譯生成目標(biāo)代碼,如Borland C、Keil等工具,且其內(nèi)核最小可以到幾十K,可以在多種體系結(jié)構(gòu)的微處理器上移植,用戶的工作較小,源代碼開放,便于學(xué)習(xí)。μC/OS-II的幾大組成部分有:

  核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心,包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。

  任務(wù)處理部分(OSTask.c)完成任務(wù)的操作;包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。

  時鐘部分(OSTime.c)主要完成任務(wù)延時等操作。

  任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分,包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標(biāo)志等部分;  μC/OS-II的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看到,如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。

  三、μC/OS在ARM微處理器上的移植

  μC/OS-II的全部源代碼量大約是6000-7000行,一共有15個文件。將 μC/OS-II 移植到ARM處理器上,需要完成的工作也非常簡單,只需要修改三個和ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件,代碼量大約是500行。以下分別介紹這三個文件的移植工作:

  OS_CPU.H 文件 數(shù)據(jù)類型定義,這部分的修改是與所用的編譯器相關(guān)的,不同的編譯器會使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型,這里采用的編譯器為集成可視化開發(fā)環(huán)境ARM SDT 2.5,相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義如下:

  #define BYTE INT8S /* Define data types for backward compatibility */

  #define UBYTE INT8U /* .to uC/OS V1.xx. Not actually needed for . */

  #define WORD INT16S /* ... uC/OS-II. */

  #define UWORD INT16U

  #define LONG INT32S

  #define ULONG INT32U

  堆棧單位因為處理器現(xiàn)場的寄存器在任務(wù)切換時都將會保存在當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的堆棧中,所以O(shè)S_STK 數(shù)據(jù)類型應(yīng)該是和處理器的寄存器長度一致的。

  typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide */

  堆棧增長方向該設(shè)置由編譯器選項決定,在本開發(fā)中設(shè)定堆棧由高地址向低地址增長。

  #define OS_STK_GROWTH 1 //define the stack to grow from high to low

  2、OS_CPU_C.C 文件

  任務(wù)堆棧初始化 這里涉及到任務(wù)初始化時的一個堆棧設(shè)計,也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器位置,在ARM體系結(jié)構(gòu)下,任務(wù)堆??臻g由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、… r1、r0、CPSR、SPSR。

  void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, void *ptos, INT16U opt)

  {

  unsigned int *stk ;

  opt = opt; /* 'opt' is not used, prevent warning */

  stk = (unsigned int *)ptos; /* Load stack pointer */

  *--stk = (unsigned int) task; / * lr */

  ……; /* r12—r0 */

  *--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */

  *--stk = ARM_MODE_SYS; /* system mode */

  return ((void *)stk);

  }

  當(dāng)前任務(wù)堆棧初始化完成后,OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針stk,在 OSTaskCreate()執(zhí)行時將會調(diào)用 OSTaskStkInit 的初始化過程,然后通過OSTCBInit()函數(shù)調(diào)用將返回的sp指針保存到該任務(wù)的TCB塊中。

  OSStartHighRdy() 該函數(shù)是在主程序OSStart( )多任務(wù)啟動后執(zhí)行,負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針sp,通過sp依次將cpu現(xiàn)場恢復(fù),這時系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進(jìn)程,僅執(zhí)行一次,此后多任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度由下面函數(shù)執(zhí)行。

  OSCtxSw() 任務(wù)級的上下文切換,它是當(dāng)任務(wù)因為被阻塞而主動請求cpu調(diào)度時被執(zhí)行,由于此時的任務(wù)切換都是在非異常模式下進(jìn)行的,它的工作是先將當(dāng)前任務(wù)的cpu現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中,然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針,從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的cpu現(xiàn)場,使之繼續(xù)執(zhí)行。

  OSIntCtxSw() 中斷級的任務(wù)切換,它是在時鐘中斷ISR(中斷服務(wù)例程)中發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級任務(wù)等待的時鐘信號到來,則在中斷退出后直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行。

  OSTickISR() 時鐘中斷處理函數(shù),它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時鐘中斷,調(diào)用系統(tǒng)實現(xiàn)的OSTimeTick函數(shù),如果有等待時鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù),則需要在中斷級別上調(diào)度其執(zhí)行。其他相關(guān)的兩個函數(shù)是OSIntEnter()和OSIntExit(),都需要在ISR中執(zhí)行。

  移植完以上程序后,用戶就可以結(jié)合自己的項目要求來編寫自己的應(yīng)用程序了,用戶可以添加如打印、空等待等任務(wù),以下給出了一個例程,通過調(diào)用OSTaskCreate ( )函數(shù)注冊了三個任務(wù),由系統(tǒng)根據(jù)最優(yōu)調(diào)度原理進(jìn)行調(diào)度。

  void main (void)

  {

  Initialize(); /* Processor specific initialization */

  OSInit();

  bufferSemaphore = OSSemCreate(BUFFER_LENGTH - 1);

  terminalSemaphore = OSSemCreate(1);

  OSTaskCreate(Task1, (void*)string1, (void*)&stacks[0][TASK_STK_SIZE - 1], 0);

  OSTaskCreate(Task2, (void*)string2, (void*)&stacks[1][TASK_STK_SIZE - 1], 1);

  OSTaskCreate(Task3, (void*)string3, (void*)&stacks[2][TASK_STK_SIZE - 1], 2);

  OSStart(); /* Start..... */

  }

  四、驅(qū)動程序的添加

  由于UC/OS提供的僅僅是一個任務(wù)調(diào)度的內(nèi)核,通過以上移植,要想得到一個相對完整、實時的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng),還必須進(jìn)行相當(dāng)多的擴(kuò)展工作。主要有:建立文件系統(tǒng)、通過開發(fā)如LCD液晶顯示、USB通信、鍵盤、串口等驅(qū)動程序從而提供應(yīng)用程序調(diào)用的API函數(shù),還有創(chuàng)建圖形用戶接口(GUI)函數(shù)等,下面主要介紹一下串口驅(qū)動程序的開發(fā)。

  void Uart_Init(int mclk,int baud) { }

  該函數(shù)主要是初始化串口,設(shè)置波特率,其中mclk是系統(tǒng)主時鐘頻率,band參數(shù)傳遞串口通信波特率。

  void Uart_Select(int ch) { }

  該函數(shù)進(jìn)行串口選擇,ch 傳遞串口號。

  char Uart_Getch(void) { }

  該函數(shù)從串口讀取字符,存放在一數(shù)組內(nèi)。

  void Uart_GetString(char *string) { }

  該函數(shù)讀取要發(fā)送的字符串,并一個一個字符地從串口發(fā)送。

  void Uart_SendByte(int data) { }

  該函數(shù)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù),data是需要發(fā)送的字符。

  void Uart_SendString(char *pt) { }

  該函數(shù)通過串口發(fā)送字符串,pt是字符串首地址的指針。

  通過以上接口函數(shù),系統(tǒng)向用戶提供了屏蔽底層硬件的API函數(shù),用戶可以通過調(diào)用以上函數(shù),方便地對串口進(jìn)行操作。

  五、結(jié)束語

  目前市場上基于μc/os嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品比較多,應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、信息家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方面,而且基于μc/os的應(yīng)用正潮起云涌,蓬勃發(fā)展。隨著后PC時代的來臨,嵌入式系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究日新月異,μc/os正是我們手中開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的利器,較好的掌握這門技術(shù)可以將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合,更好地服務(wù)于我們的日常生活和生產(chǎn)中。

  參考文獻(xiàn):

  1、邵貝貝譯.μC/ OS -Ⅱ源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)[M] . 北京:中國電力出版社, 2001.

  2、王田苗 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) 清華大學(xué)出版社2003年10月

  3、鄒思軼 嵌入式Linux設(shè)計與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社2002年1月

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