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1、第2 9 卷第8 期增刊仪器仪表学报V 0 1 2 9 N o 82 0 0 8 年8 月C h i n e s eJ o u r n a lo fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n tA u g 2 0 0 8嵌入式实时操作系统uC O S-I I 的移植张仁斌代海飞李钢(合肥工业大学计算机学院合肥2 3 0 0 0 9)摘要：本文在分析pC o s 工作原理和H C 9 S 0 8 系列单片机硬件结构的基础上将嵌入式操作系统移植到8 位系列单片机H C 9 S 0 8 上最后在F r e e s e a l e 提供的D e l n o 板上测试成功。
2、运行结果显示，pC O S-I I 具有相当高的稳定行和可靠性，可以显著的提高单片机的实时性能、更加有效的利用有限的系统资源。关键词：实时操作系统l IC O S-I IH C 9 S 0 8 移植I mp l e m e n t a t i o nO fP o r t i n gR T O SI IC O S-o nH C 9 S 0 8Z h a n gR e nb i nD a iH a i f e iL iG a n g(C o m p u t e rD e p a r t m e n to f H eF e iU n i v e r s i t yo f T e c h n o l
3、o g yH e 力f2 3 0 0 0 9C h i n a)A b s t r a c t：B a s e e do nt h ea n a l y s i so f l IC O S I It h e o r ya n dt h eh a r d w a r eo fH C 9 S 0 8 t h i sp a p e rt r yt op o r t i n gR e a l-T i m eO p e r a t i o nS y s t e ml aC O S-o nH C 9 S 0 8 T e s t i n go nt h eD e m oc i r c u i tb o a
4、r dw h i c hs u p p l yw i t hf r e e s c a l ei ss u c c e s s f u l R e s u l ts h o w spC O S I Ih a sr a t h e rs t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y C a ne n h a n c es y s t e mc a p a b i l i t y、m a k eu s eo fl i m i t e ds y s t e mr e c o u r s em o r ee f f i c i e n t l y K e
5、yw o r d s：R e a l T i m eO p e r a t i o nS y s t e ml IC O S I IH C 9 S 0 8P o r t i n g1 引言嵌入式系统由于它具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点已经使它在许多领域得到广泛的应用1 3 l。从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等。嵌入式系统通常由硬件环境和操作系统构成。在嵌入式操作系统的统一调度管理下实现对所有系统资源的合理利用和分配，达到提高系统性能和有效利用有限资源的目的。I IC O S I I 作为一个源码开放的嵌入式实时操作系统，同时具有良
6、好的可移植性、可裁剪性、可剥夺性、稳定性和可靠性等优点，使其成为许多嵌入式操作系统的首选。本文将l IC O S I I 在F r e e s c a l e 的8 位处理器芯片H C 9 S 0 8上移植实现。3 7 52I lC O S-I I 系统结构I tC O S I I 是一个完整的可移植可固化可裁剪的抢占式实时多任务内核。可以在不需要做很大修改的基础上方便的移植到多种处理器上。条件是：该处理器要具有一定数量的堆栈，能够使用软件中断，产生定时器中断，此外，编译器要支持可重入代码，并且要能使用汇编实现对处理器内部寄存器的相关操作1 2】【4】。通过I IC O S I I 的管理，使
7、多个任务之间相互协调，分时的占用C P U，实现充分利用资源和实时等相应的功能。任务通常是一个死循环，用来完成某一特定的功能；一个任务相当于一个线程。I lC O S I I 可以管理多达“个任务，每个任务都具有一个唯一的合法优先级。但是，优先级最低的那个任务已经被系统定义第8 期增刊张仁斌等：嵌入式实时操作系统pC O S I l 的移植为空闲任务，用户不能使用。用户可以通过函数O S T a s k C r e a t e O 来创建任务，通过O S T a s k D e l O 来删除任务任务可能有以下五种状态：睡眠态、就绪态、运行态、等待状态、中断服务态。利用不同的系统函数可以实现任
8、务在各状态之间的转换。l lC O S I I 通过对就绪表的操作总是选择在就绪任务中优先级最高的那个任务开始运行。任务级的调度是由函数O S S c h c d 0 来完成的；而中断级的调度是由O S l m E x t O 完成的。任务切换的过程分为两步：将被挂起任务的处理器寄存器状态保存在它的任务堆栈中；将将要执行的任务堆栈中保存的寄存器值弹到处理器中，然后执行中断返回指令。这样新的任务就拥有了C P U，开始执行。直到它挂起，或者是被更高优先级的任务中断。uC O S I I 就是在对各种任务的切换之间起协调作用的协调者。3H C 9 S 0 8 的硬件结构每个H C S 0 8 系列
9、的M C U 都是由H C S 0 8 核加上几个存储器以及外设模块组成。H C S 0 8 核主要包括：H C S 0 8C P U背景调试控制器(B D C)支持多达3 2 个中断复位源芯片级地址译码H C S 0 8 C P U 包括和M 6 8 H C 0 8 相同的寄存器。其中包括一个8 位累加器(A)，一个可分别存取高8 位和低8位的1 6 位变址寄存器(H)()，一个1 6 位栈指针(S P)，一个1 6 位程序计数器(P C)和一个状态码寄存器(C C R)，该C C R 包含5 个处理器状态标志(V，H，N，Z 和c)和全局中断屏蔽标志(1)。H C S 0 8 核定义的5个
10、主要的存储空间。直接页寄存器主要包括I O 端口寄存器和大部分的外设控制和状态寄存器；R A M 区的地址紧接在直接页寄存器地址的后面并且向高地址延伸，堆栈空间就落在R A M 中。一般将堆栈的栈顶初始化在R A M 的高地址部分。和大部分的处理器一样，I-I C S 0 8 的堆栈增长方向是向下的。高地址页寄存器位于$1 8 0 0 到$1 8 2 B 之间，由于这些寄存器比直接页寄存器的使用频率要少的多，所以它们没有安排在珍贵的直接页地址空间中：F L A S H 存储器分配6 4 K 字节的存储空间最终分配到地址S F F F F。这一块的起始地址取决于M C U 有多少F L A S
11、H 存储空间；向量区是F L A S H 区的一部分，位于$F F C 0$F F F F 中，但是它是单独解码的，所以当中断向量取出时别的H C S 0 8模块可以识别出来。3 7 64I tc 0 S-I I 的移植uC O S I I 绝大部分的代码是用A N S IC 编写的，可移植性好。但是用户在移植时还需要修改相应的几个文件。与应用相关部分需要用户根据自己实际应用的需要进行配置，与处理器相关的部分需要用户根据不同处理器的结构修改相应的代码，以使操作系统能够准确的进行任务的切换等【l J。主要需要修改的函数如下：1 O SC P U H 它主要包括了用#d e f i n e 语句定
12、义的、与处理器相关的常数、宏以及类型。比如：t y p c d e fu n s i g n e dc h a rI N T S U，#d e f i n eO S 一髓S K G R O U T H1 以及如何处理临界代码段等。2 O SC P UC C 在这个文件中要求用户编写l O 个简单的C 函数，但是唯一必须要修改的是O S T a S k l n i t O；这个函数初始化堆栈，应该按照中断时系统保护现场的进栈顺序来初始化堆栈结构。对于H C S 0 8 系列单片机来说，当中断发生时，依次进栈第2 9 卷仪器仪表学报的是P C L、P C H、X、A、和C C R 寄存器值。同时为
13、了保证系统的稳定还把额外的一个变址寄存器H进栈，有时还要保存页值。初始化完成后，将栈顶位置s P 保存在任务控制块T C B 中3 O SC P UA A S M 在这个文件中需要修改关键的四个函数。(1)O S S t a r t H i g h R d y 0O S S t a t t 0 函数调用它来是就绪任务中优先级最高的任务开始运行。这部分一般要求用户把它转化成汇编语言实现。本文中代码如下：O S T a s k S w H o o k 0；a s m I d a群$0 la s ms t aO S R u n n i n ga s mI d h xO S T C B H i g h
14、 R d ya s m l d h x0，xa s m t x sa s m p u l ha s m p u l aa s ms t a P A G Ea s mr t i(2)任务级切换函数O S C t x S w 0 主要通过执行软中断或T R A P 来实现在任务级的切换功能。其中中断向量指向O S C t x S w 0 函数的入口地址。在O S S c h e d 0的最后操作系统调用O ST A S KS W 执行软中断或T R A P 指令，该指令找到对应的O S C t x S w 0 实现任务的切换。o s c t x S w()首先要保存当前运行任务的各寄存器状态到自己
15、的堆栈中，并且保存当前栈顶位置；然后找到将要运行的任务，并且把保存该任务堆栈中的寄存器弹到C P U 内部寄存器中，执行中断返回指令，这样使C P U 从新的任务处执行，直到下一个任务切换的到来执行代码如下：a s m p s h aa s m p s l l l la s m t s xa s m p s h xa s m p s h ha s ml d h x0 S T C B C u ra s m p u l aa s ms t a0，X3 7 7a 缸n p u l aa s ms t al。xO S T a s k S w H o o k 0；a s mI d aO S P r i
16、o H i g h R d ya s ms t aO S P d o C u ra s ml d h xO S T C B H i g h R d ya s ms t h xO S T C B C u ra s mI d h x0，xa s m t x sa s m p u l ha s m p u l aa s ms t a P A G Ea s mr t i(3)中断级任务切换函数O S I n t C t x S w 0 该函数在I S R 中执行任务的切换功能。由于是在中断中执行的，处理器的大部分寄存器值都已经自动保存在堆栈中了，所以该函数的大部分代码都和O S C t x S w 0
17、相同，只是前半部分保存寄存器的功能不要了。(4)O S T i c l d S R 0 时钟节拍服务函数l IC O S I I 要求用户提供一个周期性的时钟源，来实现时间的定时和超时功能。这部分功能由该函数实现。这个函数首先保存寄存器的值，然后设置中断标志、清中断，再调用O S T i m c T i c k()递减延时计数，判断是否要在中断中切换任务，最后恢复处理器寄存器，执行中断返回指令，返回到中断处继续执行。代码如下：S R T I S C R T I A C K2l；I s mI d aP A G Ea s mp s h aa s m p s h ha s mI d aO S I n
18、 t N e s t i n ga s ma d d撑la s ms t aO S I n t N e s t i n ga s r f lc r o p撑la s mb n cT m r T i c k l S Rla s m t s xa s m p s h x8 s m p s h h第8 期增刊张仁斌等：嵌入式实时操作系统1,1C O S-I I 的移植5 结论a s ml d h xO S I B C u ra s m p u l aa s ms t a0，Xa s m p u l aa s ms t al，Xa s mT m r T i c k l S R l：O S T i m
19、e T i c k 0；O S I n t E x i t O；a s m p u l ha s mp u l aa s ms t a P I A G Ea s mr t i本文将I IC O S I I 移植到8 位系列单片机上，并且在M C 9 S 0 8 A W 6 0 上稳定的运行，有效提高了该系统的性能，充分利用系统资源，使系统的实时性能得到很大的提高，开阔了应用范围。同时，作者也将该系统在H C S 0 8 的另外两款单片机M C 9 S 0 8 Q E12 8 和M C 9 S 0 8 G B 6 0 上移植实现。3 7 8参考文献【l】J e a nJ L a b r o s
20、s e(著)邵贝贝(译)嵌入式实操作系统l IC O S-I I(第二版)【M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 5【2 1 任哲嵌入式实时操作系统l IC O S-I I 原理及应用嗍北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 5 8【3】孙静宋德修周洁敏嵌人式实时操作系统uC O S-I I 的移植【J 1 电工技术，2 0 0 5，2【4】那加嵌入式实时操作系统I lC O S-I I 在S h a r pL H 7 9 5 2 0处理器上的移植阴测控技术，2 0 0 7，2 6 0 0)嵌入式实时操作系统COS-的移植嵌入式实时操作系统COS-的移植作者：张仁斌，代海飞，李钢
21、作者单位：合肥工业大学计算机学院 合肥 230009 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 刘广路.郝红旗.LIU Guang-lu.HAO Hong-qi COS-II在ARM7上的移植-电脑知识与技术（学术交流）2007,1(5)本文介绍了COS-II的概况和ARM体系结构中与移植工作相关的一些概念,并在此基础上分析了基于ARM的移植工作.2.学位论文 黄涛 基于32位单片机MPC555的嵌入式实时操作系统的研究与实现 2004 随着计算机应用的发展和普及以及后PC时代的到来,计算机实时系统已经在工业、交通、能源、科学研究和科学试验、国防等各个领域发挥着极其重要的作用,而其中大
22、多数实时系统都是属于嵌入式系统.嵌入式系统已经从最初的简单的实时监控程序阶段发展到了通用嵌入式操作系统阶段,特别是近10年来,嵌入式实时操作系统得到飞速的发展,从支持8位微处理器到16位、32位甚至64位,从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片.嵌入式操作系统的研究在近几年也非常广泛,中国各大公司感觉到自己的未来市场又将被国外公司统治,因而纷纷着手研究自己的嵌入式操作系统.应该说国内公司进行的嵌入式操作系统的研究和实践是非常广泛和有价值的.它有效地使国内的嵌入式操作系统市场没有被国外产品完全垄断,同时又使国内在此领域的研究得到了发展.该文研究的主要内容就是剖析一种源码公开的嵌入式
23、实时操作系统COS-,并把它移植到Motorola 32位单片机MPC555上,以建立一个嵌入式实时操作系统平台,为嵌入式应用系统的开发奠定基础.论文在剖析嵌入式实时操作系统COS-内核的基础上,提出了将其移植到目标机的方法,并指出了实时操作系统COS-内核本身的不足之处,最后提出了一种改进的思路,并做了具体实现.3.期刊论文 黄涛.徐宏喆.陈宁.聂科峰 嵌入式实时操作系统移植技术的分析与应用-计算机应用2003,23(9)介绍了一种嵌入式实时操作系统-COS-II的内核结构,着重分析了它的移植技术,详细描述了该系统移植到Motorola基于Power PC构架的32位单片机MPC555上的实
24、现过程,从而总结了COS-II移植到不同目标板的一般性方法.4.学位论文 张晓 嵌入式实时操作系统COS-的研究与应用 2006 近年来，单片机的网络化在IT业界扮演着很重要的角色。单片机处理器应用程序功能日趋复杂化和精确化，加之处理器本身计算能力的提高，迫使应用程序要划分为多个重要性不同的任务以分配CPU时间和系统资源，同时还要保证实时性和可靠性。高性能的实时操作系统内核的出现解决了这一问题，缩短了产品的开发周期，提高了生产率。同时也为因特网与单片机系统的结合提供了平台。本论文对嵌入式系统和嵌入式实时操作系统的发展进行了综述，设计了以嵌入式操作系统UC/OS-为平台的嵌入式应用系统。并详细说
25、明了本设计所用的嵌入式实时操作系统UC/OS-以及在51微处理器W78E516B上的移植过程，该操作系统是实现嵌入式TCP/IP协议栈支持多用户、多任务的技术基础。本文论证了UC/OS-的Ethernet方案的系统设计与实现。首先介绍了Ethernet接口控制模块的实现和Ethernet网卡驱动的实现。然后是对嵌入式TCP/IP协议栈uIP的介绍，主要包括对Internet协议标准中的以太网协议、ARP、IP、TCP和ICMP协议都做了详细的分析，以及利用嵌入式实时操作系统UC/OS-的网络接口层的设计。在深入研究嵌入式实时操作系统UC/OS-应用的基础上，本文详细分析了超文本传输协议HTTP
26、，给出了一种单片机系统中实现嵌入式Web服务器的方法。实现了在数据采集方面的应用，给出了硬件设计思路及客户端和服务器端的软件实现方案。并且在系统中嵌入USB接口，实现采集数据的动态便携存储，并且通过实验以及调试，获得了成功。5.期刊论文 熊志金.陈三宝.郭洪娜 嵌入式实时操作系统 COS-在电力系统状态监控中的应用-电子质量2003,(10)本文主要介绍了嵌入式实时操作系统COS-在电力系统状态监控中的应用,并对系统原理和结构组成以及C/OS-移植和任务调度等作了较为详尽的阐述.6.学位论文 魏茂强 基于USB接口和COS-的数据采集系统设计 2007 数据采集技术是信息技术的重要组成之一，是
27、计算机获取信息的主要手段，在工业生产和科学研究等许多领域具有广泛的应用。随着科学技术的不断发展，人们对数据采集的性能指标要求越来越高，传统的数据采集方式已经不能满足需要。通用串行总线(USB)具有传输速度快、即插即用、易于扩展、占用系统资源少等优点：嵌入式实时操作系统(RTOS)中的C/OS-则具有代码效率高、占用空间小、良好的实时性和可靠性等特点。本文将二者与传统的数据采集技术相结合，设计实现了一种基于USB通信和C/OS-的集数据采集、分析、显示为一体的数据采集系统。该系统采用基于精简指令集(RISC)的高档8位AVR系列单片机ATmega16为核心，结合支持USB 1.1协议的USB控制
28、芯片PDIUSBD12以及其他外围器件组成硬件平台。该硬件平台具有高运行速度(6MIPS)、低功耗、易于扩展等特点。通过构建嵌入式软件开发环境、移植C/OS-、编写固化到ATmega16单片机的引导程序(即固件程序)，实现系统的数据采集、数码显示以及与PC机通信等设备端任务。在固件程序中移植的C/OS-具有很强的任务管理功能，各任务协调运行，提高了系统的可靠性和实时性。而在PC端，引入微软新近的WDM驱动程序模型，在其基础上开发了数据采集系统的设备驱动程序，可以成功地对设备进行识别、配置，并提供了同设备进行数据交换的应用程序接口。基于这些接口，编制了具有查询设备、与设备交换数据并将数据绘制成动
29、态曲线等功能的PC端应用程序。论文工作完成的基于USB接口和C/OS-的数据采集系统，采样频率可达15KSPS(每秒采样次数)，数据传输错误恢复率大于99，即插即用、使用方便且具有很低的开发成本，可以为数据采集特别是电池供电移动或手持采集设备提供一种有效的解决方案和方便使用、高效传输的设备形式。7.期刊论文 HUANGFU Rui.宋志刚.HUANGFU Rui.SONG Zhi-gang 嵌入式实时操作系统C/OS-在DSP上的移植-航空计算技术2008,38(4)介绍了嵌入式实时操作系统C/OS-的特点,详细论述了C/OS-在DSPTMS320C6416上移植的实现过程,指出C/OS-移植
30、的重点和难点,并对移植后的系统进行了内核测试及裁剪.在移植平台下的多任务运行结果表明:移植程序稳定可靠,性能指标满足嵌入式开发的基本需求.8.学位论文 黄培镇 COS-操作系统内核研究及其工程应用 2006 嵌入式系统作为实现设备小型化、智能化的一个要素，目前已经广泛应用于国防、工业、交通、能源、信息技术以及日常生活等各个领域，并发挥着极其重要的作用。嵌入式系统的软件核心是嵌入式操作系统。然而，目前国内在嵌入式操作系统开发上还存在许多困难。首先，国外成熟的嵌入式实时操作系统大都价格昂贵，不利于在国内中小型企业特别是大专院校推广应用；其次，因大部分实时操作系统(RTOS，realtimeoper
31、ationsystem)不公开源码，使开发的产品存在安全隐患，若应用于军工产品，这将是严重的问题。针对以上问题，免费公开源代码的嵌入式操作系统正倍受瞩目，COS-就是其中之一。COS-是面向中小型应用的、其任务基于优先级的可剥夺嵌入式实时内核，其特点是小巧、性能稳定、可免费获得实现代码。本论文以扩大COS-的工程应用范围为目标，针对COS-内核的不足，从开发环境到内核调度算法，进行了多方位的研究：基于Tornado构建了一个满足工程需求的开发环境，使用makefile构建了一个能跨平台使用的编译体系；在这个开发环境的基础上，本论文提出了COS-向VxWorks学习的思想，其工程应用的架构采用(
32、BSP+kernel)的思想，以提高系统内核及上层应用的可移植性；在完成COS-内核工程应用的开发环境设计以及架构设计后，本课题针对COS-内核中内存动态分配算法的缺陷问题，提出新的内存动态分配算法，该算法能有效减少内存碎片的产生，提高内存使用率。最后，本论文为COS-内核新增了软计时器，满足了工程应用对定时性的需求。9.学位论文 王丰华 汽车上CAN/LIN混合网络组网技术的研究与应用 2006 汽车电子已经成为推动汽车技术进步的主要动力，汽车上越来越多的电子单元要求有网络的连接，从而实现更加智能化的控制，作为汽车中生长着的“神经”，汽车网络已经成为汽车上不可或缺的一部分。近几年中国汽车电子
33、产业正加速发展，在这种大环境下，对汽车网络技术进行研究成为一件非常有意义的事情。论文主要对汽车上CAN总线网络和LIN总线网络进行了研究，目的是形成一个可在实际中应用的汽车控制网络系统，并能够在实践中得到检验。CAN和LIN均属于汽车上的中低端控制网络，主要是为了实现汽车上的各种电子控制单元的互连而引入的。CAN是在汽车上应用最广泛的网络，而LIN是近几年出现的一种低成本汽车网络，两者在实际应用中不是竞争关系而是互补关系，CAN/LIN混合网络能够在不影响网络性能的前提下降低网络成本。论文首先简要介绍了汽车电子产业的发展以及汽车网络的概况，对CAN总线和LIN总线汽车上的组网技术进行了分析，包
34、括网络特性和拓扑结构等。然后对混合网络中的关键部件网关的软硬件设计进行了详细的分析与描述。在网关设计中，采用了32位处理芯片和嵌入式实时操作系统作为设计的基础平台，迎合了当今汽车电子的发展方向。为实现可靠、准确的总线通信与信息交换，在网关中设计了CAN总线和LIN总线的通信函数库以及实现网关信息转发功能的函数。网关完成后进行了测试与通信分析，实现了CAN/LIN网络的互连互通。CAN/LIN混合网络基本搭建完成后，只有在实际应用中才能证明网络的价值。因此，根据两个实际的在研汽车电子项目对CAN/LIN混合网络做了进一步的开发。“基于CAN总线的轮胎压力监测系统”和“基于LIN总线的汽车气候控制
35、系统”两个项目的总线通信部分是由8位单片机完成的，因此在设计上与网关节点有很大不同，在论文中都做了详细的分析与描述。至此，一个由不同CAN节点、LIN节点组成的CAN/LIN混合网络的所有通信部分设计完成。课题研究设计过程中，对硬件设计、软件设计以及两者的协同设计都做了周密细致的考虑。采用32位MCU和 COS操作系统的嵌入式CAN/LIN网关设计是一大特色。设计完成的网关能够实时转发CAN/LIN网络信息，实现了CAN/LIN混合网络上各节点间的信息共享。“基于CAN总线的轮胎压力监测系统”和“基于LIN总线的汽车气候控制系统”这两个设计也是国内汽车电子设计领域内较有特色的设计之一。论文中对
36、这两个系统总体设计和通信设计进行了描述，在实际中检验了汽车CAN/LAN混合网络的应用可行性。希望这些努力能对我国汽车企业自主开发汽车总线系统提供一定的实用价值。10.期刊论文 王志武.范蟠果.WANG Zhiwu.FAN Panguo 嵌入式实时操作系统C/OS-在TMS320F2812上的移植-微计算机应用2007,28(8)分析了嵌入式实时操作系统C/OS-的特点和内核结构,并通过对TI公司最新推出的DSP芯片TMS320F2812的体系结构的研究,论证了移植的可行性.并根据一个工程实例重点介绍了移植的过程.最终通过设计多任务的应用程序验证了移植的成功.这对于充分利用芯片的资源,缩短开发周期和提高系统稳定性方面有着重要的意义.本文链接：http:/