ucos实时操作系统学习笔记——操作系统在STM32的移植

      使用ucos实时操作系统是在上学的时候，导师科研项目中。那时候就是网上找到操作系统移植教程以及应用教程依葫芦画瓢，功能实现也就罢了，没有很深入的去研究过这个东西。后来工作了，闲来无聊就研究了一下这个只有几千行代码的操作系统，也没所有的代码都看，只是看了其中部分内容。自己还自不量力的尝试着去写过简单的操作系统，最后写着写着就被带到了ucos的设计思路上了，后来干脆就“copy”代码了，虽说对操作系统内核的理解有很大的帮助，但是很是惭愧啊，智力不够，对操作系统内核的设计者更加仰慕，O(∩_∩)O哈哈~

      之前项目开发用的STM32，接下来就从ucos在STM32的移植开始讲一下学习过程吧。当时系统移植也是根据开发板例程来的，像OS_STK,OS_CPU_SR以及堆栈的增长方式等设置都已经根据ARM-CoreM3的硬件特性设置好了，所以移植过程相对简单一点。以下所讲内容纯属个人理解，如果不对的地方，请批评指正。

      首先，讲一下个人对ucos操作系统整体架构的理解，网上有很多对ucos每个文件是干什么的做介绍的文章，在这里不做详细介绍，可以网上搜一下。ucos主要包括TIMER管理（os_tmr.c），任务（os_task.c），任务间通信（os_sem.c，os_mutex.c等），内存管理（os_mem.c)，和处理器相关底层实现。除了处理器相关底层实现外，其他的算是操作系统内核的东西，处理器相关实现却因处理器的不同而具体实现不同。操作系统移植主要的操作就是做这部分内容。

　　其次，讲一下个人对ucos操作系统工作原理的理解，主要分为四点：

1. 操作系统给每个任务分配一个优先级，当有任务切换时，cpu的使用权会分配给优先级最高的任务；

2. 在操作系统内核中，当有比较重要的数据操作时，会通过开关中断来保证数据的可靠性和正确性；

3. 通过手动设置异步中断寄存器的值触发中断处理函数，实现任务的切换（此操作主要是任务间的通信操作实现的）；

4. 中断会自动保存寄存器的值，完成中断处理之后，会检查有没有比当前任务优先级更高的任务，从而决定是否进行任务切换操作（此中断中比较重要的是“心跳”定时器中断保证了没有外部中断的情况下，实现任务切换）；

 

      ucos在STM32上的移植主要是针对上面提到的工作原理中的后面三点实现的，其中讲到的第一点是操作系统内核中做得事情。移植中的函数声明是在操作系统内核中，对于STM32的移植，函数的具体实现是在os_cpu_a.asm中。接下来分析一下移植过程中使用到的各个函数的。

1. 和工作原理第2条相关的进出临界区函数（其实是开关中断函数）。

#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();};

#define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}.

2. 和工作原理第3条相关的任务切换函数

#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()

3. 和工作原理第4条相关的中断退出任务切换函数

OSIntCtxSw(), 该函数是当中断处理函数完成操作之后由OSIntExit函数调用，实现原理和OSCtxSw相同，但是意义不同。

以上这三个函数是这样组织的：

对应1，对于进入临界区的函数，主要是通过修改中断寄存器中的值实现的。OS_CPU_SR_Save()通过将中断寄存器中的值取出并存入到cpu_sr中，修改中断寄存器的值，屏蔽中断（NMI和硬件fault是不能被屏蔽的）。OS_CPU_SR_Restore()是将之前存到cpu_sr中的值写入到中断寄存器，从而恢复到没有屏蔽中断之前的状态。

对应2和3，对于进行任务切换的函数，其主要是通过触发中断，在中断处理函数中通过将高优先级任务的堆栈中的数据填入到cpu寄存器中，从而实现任务的切换。这两步需要注意的是在STM32启动的过程中（即startup_stm32f10x_hd.s），需要设置中断向量对应的中断处理函数OS_CPU_PendSVHandler(),将原来的Pend_SVHandler()替换掉。

 

      对于在STM32上的移植，比较重要的是设置操作系统的“心跳”函数SysTick_Handler，函数代码如下：

void SysTick_Handler(void)
{
    OS_CPU_SR  cpu_sr;

    OS_ENTER_CRITICAL();        /* Tell uC/OS-II that we are starting an ISR  */
    OSIntNesting++;
    OS_EXIT_CRITICAL();

    OSTimeTick();               /* Call uC/OS-II's OSTimeTick()               */

    OSIntExit();
}

      该函数首先是对操作系统嵌套计数自加操作，当退出中断处理程序时，会对该计数变量减操作。其他对方对OSIntNesting的引用都会判断如果该值大于0，则是出于中断中，如果该值等于0，则说明已经从中断中退出，加操作（OSIntNesting++）必须对应于退出中断的减操作（OSIntNesting--），否则会其他地方对OSIntNesting的操作会认为始终出于中断处理程序中。

      OSTimeTick是对所有出于等待状态的task等待delay时间片减操作，如果有任务的等待时间已经变成0，则需要将该任务加入到readytable中，为任务切换到该任务做准备。

　　OSIntExit函数首先会判断嵌套等级变量OSIntNesting是否大于0，如果是会做减操作，然后判断是否所有的中断都已经处理完成，如果是，则会任务调度，会切换到高优先级的任务；如果不是，则说明只是退出当前中断处理函数，还有其他中断处理没有结束。

 

      操作系统的移植，一个比较重要的设计操作系统切换的任务堆栈，ucos在创建任务的时候会有一个OSTaskStkInit操作，该操作的目的是为当前创建的task构建一个stack，该栈中存储的内容是像该任务刚被中断一样，模拟保存一些寄存器的值，当任务切换到当前task时，由任务调度函数操作从栈中弹出保存的内容，从而实现任务的切换。虽然说在中断等发生时cpu会自动保存一部分寄存器，但是我们是通过模拟的方式实现的类中断操作，所以cpu自动保存的内容，我们在创建task的时候也要给模拟实现。因为中断操作会pop出cpu自动保存的寄存器的值，在任务切换过程中，也会pop我们模拟存储的自动保存的寄存器的值，比如在STM32中的xPSR, PC, LR, R12, R3-R0等。

      以上这些操作是ucos操作系统移植在STM32上的一些关键步骤和原理，在此作为学习笔记记录下来，为以后使用。网上有很多关于该操作系统移植的详细介绍，可供参考，其中百度文库中有一篇《ucosii在STM32上的移植详解》讲解的很不错，可供大家学习。