MC68K CPU简介 μC/OS-II向MC68K的移值

一、MC68K CPU简介

MC68K及68020、68040等的著名的MOTOROLA32位微处理器，和与之兼容的68K、CPU32、CPU32+等CPU扩充定时处理单元TPU、队列串行模块QSM、系统控制模块和RAM等组成MC683xx系列单片机。

CPU32 内部有8个32位通用数据寄存器，8个32位通用地址寄存器。8个通用数据寄存器可作为累加器使用，也可看成C语言中各种类型的变量;8个通用地址寄存器，可作为变址寄存器使用，也可看成C语言中的指针型变量。CPU32有独立的用户堆栈指针和系统堆栈指针，可区分程序区、数据区、系统区、用户区等存储空间，有7级中断。

要实现μC/OS-II向MC68K的移值，需要有MC68K的C编译器。我们使用的HIWARE公司的C编译器。该C编译器允许嵌入行汇编。

二、移植中所需修改的文件

和CPU相关的文件主要有三个：C语言文件OS_CPU32.C、头文件OS_CPU32.H和汇编文件OS_CPU32.ASM。

1.INCLUDES.H文件

INCLUDES.H 是主头文件，在所有后缀名为.C文件的开始都包含INCLUDES.H文件。对于不同类型的处理器，用户需要改定INCLUDES.H文件，增加自己的头文件，但必须加在文件末尾。在安装μC/OS-II的时候，附带了几个移植实例，例如，针对Intel 80x86的代码安装到IIL目录。我们为MC68K编写的移植实例都放在II下，在INCLUDES.H文件中增加有：

#include "iiK_CPU32.ASM"

#include "iiK_CPU32.C"

#include "iiK_CPU32.H"

2.OS_CPU32.H文件

OS_CPU32.H文件中定义了与硬件相关的基本信息：

typedef unsigned char INT8U; /*无符号8位数*/

typedef signed char INT8S; /*带符号8位数*/

typedef unsigned int INT16U; /*无符号16位数*/

typedef signed int INT16S; /*带符号16位数*/

typedef signed long INT32S; /*带符号32位数*/

typedef unsigned int OS_STK; /*堆栈入口宽度为16位*/

#define OS_STK_GROWTH1 /*堆栈由高地址向低地址增长*/

#define UCOS 0 /*用于任务切换的软中断*/

define OS_TASK_SW() _TRAP(UCOS)

#define OS_ENTER_CRITICAL() move.w#$2700,SR /*进入临界区*/

#define OS_EXIT_CRITICAL() move.w #$2000,SR /*退出临界区*/

(1)数据类型

由于不同的处理器有不同的字长，μC/OS-II的移植需要重新定义一系列的数据结构。由于 MC68K为32位MCU，整数(int)类型数据为16位，长整开有(long)为32位。在MC68K中堆栈都是按字进行操作的，所以堆栈数据类型 OS_STK声明为16位。所有的堆栈必须用OS_STK声明。

(2)代码临界区

μC/OS -II在进入系统临界代码区之间要关中断，等到退出临界区后再打开，从而保护核心数据不被多任务环境下的其他任务或中断破坏。在MC68K中，开关中断可以通过设置状态寄存器SR中的中断屏蔽位来实现。μC/OS-II中的宏OS_ENTER_CRITICAL()定义将状态寄存器的中断屏蔽位置位，屏蔽所有的七级中断;OS_EXIT_CRITICAL()定义将状态寄存器的中断屏蔽位清零，打开所有的七级中断。这种处理方法非常简单，但CPU32提供分级中断机制得不到使用。如果要使用分级中断，必须改写一些相关的函数，将在第4节中阐明。

(3)堆栈方向

MC68K处理器的堆栈是由高地址向低地址递减的，所以OS_STK_GROWTH必须设置为1。

(4)OS_TASK_SW()函数的定义

在μC/OS -II中，OS_TASK_SW()用来实现任务切换。就绪任务的堆栈初始化应该模拟一次中断发生后的样子，椎栈中应该按入栈次序设置好各个寄存器。 OS_TASK_SW()函数模拟一次断过程，在中断返回的进修进行任务切换。CPU32有16个软中断可供选用，称为陷阱TRAP调用。中断程序程序的入口必须指向汇编函数OSCtxSw()。

我们在μC/OS-II所提供的例程中使用的0号陷阱调用，由下面的语句完成定义：

#define OS_TASK_SW() -TRAP(UCOS)

3.OS_CPU32.ASM文件

μC/OS-II的移植需要用户改写OS_CPU_A.ASM中的4个函数：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSINTCtxSw()和OSTICkISR()。

(1)OSStartHighRdy()函数

该函数由OSStart()函数调用，功能是运行优先级最高的就绪态任务。在调用OSStart() 之前，用户必须先调用OSInit()，并且已经至少创建了一个任务。为启动任务，OSStartHighRdy()首先找到当前就绪的优先级最高的任务，OSTCBHighRdy中保存有优先级最高任务的任务控制块(TCB)的地址，并从任务的任务控制块中找到指向堆栈的指针，然后运行指令 MOVEM.L(A7)+，A0-A6/D0-D7，从堆栈中弹出全部寄存器的内容，运行RTE中断返回。由于任务创建时堆栈的结构就是按中断捕捞堆栈结构初始化的，执行RET指令后就切换到了新任务。有关μC/OS- II的任务切换机制，请参考系列计座(3).

OSStartHighRdy的汇编代码如下：

_OSStarHighRdy

MOVE.L(_OSTCBHighRdy)，A1

;获取最高优先级就绪任务的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur)

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆栈指针

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7

RTE ;中断返回，切换任务

(2)OSCtxSw( )函数

OSCtxSw( )是一个任务级的任务切换函数(在任务中调用，区别于在中断程序中调用的OSIntCtxSw()，在MC68K系统上，通过执行一条软中断指令来实现任务切换。软中断向量指向函数，而该函数的执行结构可能造成系统任务重新调度(例如，试图唤醒一个优先级更高的任务)，则在函数的末尾会调用OSSched ()，OSSched()将查找当前就绪的优先级最高的任务。如果不是当前任务，则判断是否需要进行任务调度，再找到该任务控制块OS_TCB的地址，并将该地址拷贝到变量OSTCBHighRdy中，然后通过宠OS_TASK_SW()执行软中断，进行任务切换。在此过程中，变量OSTCBCur始终包含一个指向当前运行任务OS_TCB的指针。OSCtxSw()的汇编代码如下：

_OSCtxSw

MOVEM.L A0-A6/D0-D7,-(A7) ;存储当前任务环境

MOVE.L (_OSTCBCur)，A1 ;保存当前任务TCB指针

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1 ;获取最高优先级就绪任务的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;将就绪任务设置为当前运行任务

MOVE.L (A1)，A7 ;取得新任务的堆栈指针

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中断返回，切换任务

(3)OSIntCtxSw()函数

在μC/OS -II中，由于中断的产生可能会引起任务切换，在中断服务程序的最后会调用OSICntExit()函数检查任务就绪状态。如果需要进行任务切换，将调用 OSIntCtxSw()，所以，OSIntCtxSw()又称为中断级的任务切换函数。由于在调用OSIntCtxSw()之前已经发生了中断， OSIntCtxSw()默认CPU寄存器已经保存在被中断任务的堆栈了。OSIntCtxSw()的代码与OSCtxSw()的大部分相同，不同之处是：第一，由于中断已经发生，此处不需要再保存CPU寄存器;第二，OSIntCtxSw()需要调整堆栈指针，去掉堆栈中一些不需要的内容，以使堆栈中包含任务的运行环境。

_OSIntCtxSw

ADDA #10，A7 ;忽略掉由于函数嵌套调

;用而压入堆栈的内容

MOVE.L (_CSTCBCur)，A1 ;在TCB中保存当前

;任务的堆栈指针

MOVE.L A7，(A1)

MOVE.L (_OSTCBHighRdy)，A1

;获取最高优先级就绪任务的TCB地址

MOVE.L A1，(_OSTCBCur) ;将就绪任务设备为当前

;运行任务

MOVE.L (A1)，A7 ;取得堆栈指针

MOVEM.L (A7)+，A0-A6/D0-D7 ;

RTE ;中断返回，切换任务

(4)OSTickISR()函数

在μC/OS-II中，当调用OSStart()启动多任务环境后，时钟中断非常重要。在时钟中断中处理所有与定时相关的工作，如任务的延时、等待操作等等。在时钟中断中将查询处于等待状态的任务，判断是否延时结束，以重新进行任务调度。

和μC/OS -II中的其他中断服务程序一样，OSTICkISR()首先在被不断任务堆栈中保存CPU寄存器的值，然后调用OSIntEnter()。ΜC/OS- II要求在中断服务程序开头调用OSIntEnter()，其作用是将记录中断嵌套层数的全局变量OSIntNesting加1。如果不调用 OSIntEnter()，直接将OSIntNesting加1也是允许的。随垢，OSTickISR()调用OSTimeTick()，检查所有处于延时等待状态的任务，判断是否有延时结束并就绪的任务。在OSTickISR()的最后调用OSIntExit()，如果在中断中(或其他嵌套的中断)有更高优先级的任务就绪，并且当前中断为中断嵌套的最后一层，OSIntExit()将进行任务调度。注意，如果进行了任务调度，OSIntExit()将不再返回调用者，而是用新任务堆栈中的寄存器数值恢复CPU现场，然后用RTE实现任务切换。如果当前中断不是中断嵌套的最后一层，或中断中没有改变任务的就绪状态，OSIntExit()将返回调用者OSTickISR()，最后OSTickISR()返回被中断的任务。

4.OS_CPU32.C文件

μC/OS-II的移值需要用户在OS_CPU32.C中定义6个函数，而实际上需要定义的只有OSTaskStkInit（）一个函数，其他5个函数需要声明，但不一定有实际内容。这5个函数都是用户定义的，所以OS_CPU32.C中没有给出代码。如果用户需要使用这些函数，请将文件OS_CDG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN设为1，设为0表示不使用这些函数。

OSTaskStkInit （）函数由任务创建函数OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）调用，用来初始化任务的堆栈。初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。按照中断后的进栈次序预留各个寄存器的存储空间，而中断返回地址指向任务代码的起始地址。当调用OSTaskCreate（）或 OSTaskCreateExt（）创建一个新任务时，需要传递的参数是：任务代码的起始地址、参数指针、任务堆栈顶端的地址、任务的优先级。 OSTaskCreateExt（）还需要一些其他参数，但与OSTaskStkInit（）没有关系。OSTaskStkInit（）只需要以上提到的 3个参数：task、pdata、ptos。由于MC68K堆栈是16位宽的（以字为单位），OSTaskStkInit（）将创立一个指向以字为单位的内存区域的指针，同时要求堆栈指针指向空堆栈的顶端。堆栈初始化工作结束后，OSTaskStkInit（）返回新的堆栈顶指针， OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）将指针保存在任务的OS_TCB中。

三、移植中的几点注意事项

由于μC/OS-II运行的实时性，调试内核几乎不可能。一旦移植过程中内核运行不稳定，很难确定是什么地方的问题，更困难的是有些现象几乎是不可重复的。这就需要详细了解内核运行机理，认真分析，找出可能存在的问题。下面就来分析这些移植过程中的问题。

1.编译器的优化选项

在移植过程中，除了要熟悉μC/OS-II和目标芯片之外，熟悉使用的C编码器也非常重要。通常C编译器都会提供一些优化代码的选项，在移植μc/OS-II的过程中，这些选项往往会带来麻烦。下面是移植中与HIWARE的C编译器有关的例子。

通常在调用子程序或进入中断时，C编译器会自动保存CPU内部寄存器到堆栈中。例如，在进入中断时编译器会加入下面2条指令：

LINK #$0000，A6;

MOVEM.L D0/D1/D3/D4/D5/D6/D7/A0/A1/A2/A3/A4/A5，-（A7）;

这2 条汇编指令的作用是将CPU的数据寄存器D0～D7、地址寄存器A0～A5保存到堆栈中，再将此时的堆栈指针A7也保存到堆栈中，并使用A6作为临时的堆栈指针。这本是一个非常好的优化选项，可以防止在中断中偶然地更改了数据寄存器或地址寄存器;但在μC/OS-II中，这个机制将对OS_CPU_C.C 和OS_CPU_ASM.ASM中的几个子程序和中断服务例程产生致命的影响。

OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的子程序中断引发任务调度，当前的任务被挂起。挂起任务是通过下面的语句来完成的：

MOVEM.L A0-A6/D0-D7，-（A7）;

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L （A2），A1;

MOVE.L A7，（A1）;

保存任务的指针和所有数据地址寄存器的值，那么理想情况下，此时的任务堆栈应该是如图1所示的情况（以OSCtxSw（）函数为例，可以对应到OS_CPU_C.C和OS_CPU_ASM.ASM中的其他函数和中断处理例程）。

那么恢复挂起的任务时，只要通过如下语句：

MOVE.L OSTCBHighRdy，A1;

MOVE.L @OSTCBCur，A2;

MOVE.L A1，（A2）;

MOVE.L （A1），A7;

MOVEM.L （A7）+，A0-A6/D0-D7;

将保存在任务TCB中的任务堆栈指针恢复，再恢复数据地址寄存器，最后执行OSCtxSw（）的中断返回，就可以顺利地恢复被挂起的任务。

如果C编译器在OSCtxSw（）函数入口处插入了2条保存数据地址寄存器和堆栈指针的语句后，再执行挂起任务的语句，任务的堆栈会变成图2所示的情况。编译器引起了堆栈的变化，如果所有的任务都是用这种方式挂起和恢复的，并不会产生致命的问题，因为编码器退出OSCtxSw（）函数时会插入如下语句恢复堆栈：

MOVEM.L （A7）+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

问题在于初始化任务的时候，每个任务实际上是按照图1所示的堆栈结构被初始化的，那么，按照图2的堆栈结构来恢复自然会导致堆栈崩溃。

解决这个问题的方法很多，可以改定任务初始化的代码以适应C编译器的这个“优化”，也可以在进入OSCtxSw（）函数时首先调用如下语句恢复堆栈，抵消C编码器的影响：

MOVEM.L （A7）+，D0-D7/A0-A5;

UNLK A6;

而在退出OSCtxSw（）函数前再调用如下语句模拟出更动的堆栈：

LINK #$0000，A6

MOVEM.L D0-D7/A0-A5，-（A7）;

较好的方法当然是调整编译器，取消这个优化选项。如果无法调整编译器，就只有用以上办法来适应编译器了。