引言
隨著技術的進步，嵌入式系統設計及其應用在近年中，對人類生活產生了巨大影響，并將繼續改變人們未來的生活方式。研究嵌入式系統，一個必不可少的基礎工作就是實現嵌入式操作系統在相關處理器平臺上的移植。本文基于目前應用非常廣泛的ARM處理器體系結構，對uC/OS-II嵌入式實時操作系統內核的移植工作做了分析和介紹，并給出了在國內一個開源項目 SkyEye 仿真器上的移植實例。

表2 CSPR的模式位

表3 ARM寄存器的命名和含義

uC/OS-II 概述
uC/OS-II 是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統內核，被應用到各種嵌入式系統中。目前，它支持 x86、ARM、PowerPC、MIPS 等眾多體系結構，并有上百個商業應用實例，其穩定性和可用性是經過實踐驗證的。同時，它的源代碼公開，可以從www.ucos-ii.com網站上獲得全部源碼以及其在各種體系結構平臺上的移植范例。
最新的 uC/OS-II 2.0 版以上的內核都具有可搶占的實時多任務調度功能，另外它還提供了許多系統服務，例如信號量、消息隊列、郵箱、內存管理、時間函數等，這些功能可以根據不同的需求進行裁減。可以說，uC/OS-II是一個具備現代操作系統特點的RTOS，同時它結構清晰、注解詳盡，具有良好的可擴展性和可移植性，被廣泛地應用于各種架構的微處理器上。

ARM 的體系結構
ARM是目前嵌入式領域由應用最廣泛的RISC微處理器結構，以其低成本、低功耗、高性能等優點占據了嵌入式系統應用領域的領先地位。ARM系列的處理器當前有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等多個產品，此外，作為ARM公司合作伙伴的Intel，也提供基于XScale微體系結構的相關處理器產品。所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎體系結構，開發者在不同的ARM處理器上做操作系統移植時，將大大節省工作量，降低軟件開發成本。
任何操作系統的移植都有相當一部分工作和所用處理器的體系結構密切相關，因此在做具體的移植工作之前，需要了解該處理器的體系結構和相應的匯編語言。下面將簡要介紹ARM的體系結構，主要側重于與移植相關的一些概念。
處理器模式(CPU Mode)：
ARM處理器可以工作在7種模式下，如表1所示。

除usr模式以外的其他模式都叫做特權模式，除 usr 和 sys 外的其他5種模式叫做異常模式。在usr模式下，對系統資源的訪問是受限制的，也無法主動地改變處理器模式。異常模式通常都和硬件相關，例如中斷或執行未定義指令等。與移植相關的處理器模式有兩種：svc態和irq態，分別指操作系統的保護模式和通用中斷處理模式。這兩種模式之間的轉換可以通過硬件方式或軟件方式。uC/OS-II內核在執行過程中，大部分時間工作在svc態，當有硬件中斷，例如時鐘中斷到來時，CPU硬件自動完成從svc態進入irq態，在中斷程序結束處，則需要通過編程的方法使得CPU從irq態恢復到svc態。
程序狀態寄存器( PSR：Program status register )在任意一種處理器模式中，都使用同一個寄存器來標識當前處理器的工作模式，這個寄存器叫做 CPSR ( Current Program Status Register )，它的 [0--4] 位用來表示CPU Mode，表2 為CSPR的模式位每一種處理器異常模式，都有一個對應的SPSR ( Saved Program Status Register )寄存器，用來保存進入異常模式前的CPSR。SPSR的作用就是當CPU從異常模式退出時，通過一條簡單的匯編指令就能夠恢復進入異常模式前的CPSR，該值保存在當前異常模式的SPSR中。例如：當從usr態進入中斷irq 態時，原先的 CPSR_all 將被保存在當前的 SPSR_irq中，類似的異常模式下的 SPSR 還有 SPSR_fiq、SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und。非異常模式的 usr和sys模式下沒有 SPSR，只有 CPSR。不能顯式地指定把 CPSR 保存到某個異常模式下的 SPSR，比如 SPSR_irq，而必須是變更到 irq 態之后CPU自動完成，不能硬性賦值，因為SPSR_irq在其他狀態下不可見。
1、 ARM寄存器：( register )
ARM處理器共有37個寄存器，其中31個是通用寄存器，包括一個程序計數器 PC。另外6個就是上面提到的程序狀態寄存器。
·通用寄存器：
i. R0－R7：與所有處理器模式無關的寄存器，可以用作任何用途。
ii. R8－R14：與處理器模式有關的寄存器，在不同的模式下，對應到不同的物理寄存器。其中 R13又叫做SP，一般用于堆棧指針。R14又叫做lr，一般用于保存返回地址。這兩個寄存器在每種異常模式下都對應到不同的物理寄存器上，例如LR_irq、LR_svc、LR_fiq 等。
iii. R15：又叫做程序計數器，即PC，所有的模式下都使用同一個PC。
·狀態寄存器：
iv. CPSR：當前程序狀態寄存器，所有的模式下都使用同一個 CPSR。
v. SPSR：保存的程序狀態寄存器，每種異常模式下都有自己的SPSR，一共有5種SPSR，即 SPSR_irq、SPSR_fiq、SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_und。usr和sys 態下沒有 SPSR 。
所有的ARM寄存器的命名和含義，可以用表3來說明，其中相同命名的都是同一個物理寄存器，不同命名的寄存器都對應不同的物理寄存器。
表3 ARM寄存器的命名和含義

移植工作介紹
實際上uC/OS-II可以簡單地看作是一個多任務調度器，在這個任務調度器上完善地添加了與多任務操作系統相關的一些系統服務，如信號量、郵箱等。其90%的代碼是用C語言寫的，可以直接移植到有C語言編譯器的處理器上。移植工作主要都集中在多任務切換的實現上，因為這部分代碼用來保存和恢復CPU現場（即寫/讀相關寄存器），不能用C語言，只能使用匯編語言完成。
uC/OS-II的全部源代碼量大約是6000－7000行，共15個文件。將 uC/OS-II 移植到ARM處理器上，需要修改三個與ARM體系結構相關的文件，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

圖1 ARM體系結構的寄存器位置

圖2 任務堆棧初始化程序
·數據類型定義
數據類型的修改與所用的編譯器相關，不同的編譯器使用不同的字節長度表示同一數據類型，比如int，同樣在x86平臺上，GNU的gcc編譯為4 bytes，而MS VC＋＋則編譯為2 bytes。本文使用GNU 的 arm-elf-gcc，相關的數據類型定義如下：
·堆棧單位
在任務切換時，CPU現場的寄存器將保存在當前運行任務的堆棧中，所以OS_STK 數據類型應該與CPU的寄存器長度一致。
typedef unsigned int os STK;
·堆棧增長方向
堆棧由高地址向低地址增長，也與編譯器有關，在函數調用時，入口參數和返回地址一般保存在當前任務的堆棧中，編譯器的編譯選項和由此生成的堆棧指令就會決定堆棧的增長方向。
#define OS_STK_GROWTH
·宏定義
包括開關中斷的宏定義，以及進行任務切換的宏定義。
#define OS_ENTER_CRITICAL() ARMDisable Int()
#define OS_EXIT_CRITICAL() ARMEnable Int()
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()

OS_CPU_C.C 文件
·任務堆棧初始化
在此討論任務初始化時的堆棧設計，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體系結構下，任務堆?？臻g由高至低依次將保存著pc、lr、r12、r11、r10、... r1、r0、CPSR、SPSR，如圖1所示。
圖1 ARM體系結構的寄存器位置
有兩點需要說明：一是，當前任務堆棧初始化完成后，OSTaskStkInit 返回新的堆棧指針STK，在 OSTaskCreate（）執行時，將會調用 OSTaskStkInit 的初始化過程，然后通過OSTCBInit（）函數調用，將返回的SP指針保存到該任務的TCB塊中。二是，初始狀態的堆棧是模擬了一次中斷后的堆棧結構，因為任務創建后并不是直接就獲得執行，而是通過OSSched（）函數進行調度分配，滿足執行條件后才能獲得執行。為了使這個調度簡單一致，就預先將該任務的PC指針和返回地址LR都指向函數入口，以便被調度時從堆棧中恢復剛開始運行時的CPU現場。
·系統鉤子函數
在該文件中需要實現幾個操作系統規定的hook函數，如下：
OSSTaskCreateHook( )
OSTaskDelHook( )
OSTaskSwHook( )
OSTaskStatHook( )
OSTimeTickHook( )
若無特殊需求，只需簡單地將它們都實現為空函數即可。
OS_CPU_A.S 文件
·OSStartHighRdy（）
此函數是在OSStart（）多任務啟動后，負責從最高優先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針SP，通過SP依次將CPU現場恢復，這時系統就將控制權交給用戶創建的該任務進程，直到該任務被阻塞或者被其他更高優先級的任務搶占CPU。該函數僅在多任務啟動時被執行一次，即執行最高優先級任務，之后多任務的調度和切換由以下函數實現。
·OSCtxSw（）
任務級的上下文切換，當任務因為被阻塞而主動請求CPU調度時被執行，由于此時的任務切換在非異常模式下進行，因此區別于中斷級別的任務切換。它的工作是先將當前任務的CPU現場保存到該任務堆棧中，然后獲得最高優先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的CPU現場，使之繼續執行。這樣就完成了一次任務切換。
·OSIntCtxSw（）
中斷級的任務切換，在時鐘中斷ISR（中斷服務例程）中發現有高優先級任務等待的時鐘信號到來，則在中斷退出后并不返回被中斷任務，而是直接調度就緒的高優先級任務執行，從而能夠盡快地讓高優先級的任務得到響應，保證系統的實時性能。其原理基本上與任務級的切換相同，但是由于進入中斷時已經保存了被中斷任務的CPU現場，因此不用再進行類似的操作，只需對堆棧指針做相應調整。
·OSTickISR（）
時鐘中斷處理函數，其主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優先級任務，則需要在中斷級別上調度其執行。其他相關的兩個函數是OSIntEnter（）和OSIntExit（），都需要在ISR中執行。
·ARMEnableInt（）& ARMDisableInt（）
分別是退出臨界區和進入臨界區的宏指令實現。主要用于在進入臨界區之前關閉中斷，在退出臨界區的時候恢復原來的中斷狀態。它的實現比較簡單，可以直接開關中斷來實現，也可以通過保存關閉/恢復中斷屏蔽位來實現。
全部移植代碼在SkyEye仿真器上調試通過，在SkyEye的主頁上可以下載獲得（http://hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/）。

結語
uC/OS-II作為一個優秀的實時操作系統已經被移植到各種體系結構的微處理器上，而ARM體系結構在嵌入式領域也獲得了廣泛的應用和支持。將uC/OS-II 移植到ARM平臺上，能夠使我們更深入地了解實時操作系統的構造，加快在ARM平臺上的應用和開發，并為更高層次上的擴展和改進打下基礎。

參考文獻
1 ARM Architecture Reference Manual. http://www.arm.com
2 《ARM 嵌入式處理器結構與應用基礎》.馬忠梅等編著.北京航空航天大學出版社.2002年出版
3《uC/OS-II －源碼公開的實時嵌入式操作系統》.Jean J.Labrosse 著.劭貝貝譯.中國電力出版社.2001年出版
4 uC/OS 網站.http://www.ucos-ii.com