1、引言

嵌入式系統(tǒng)由于它具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點已經(jīng)使它在許多領域得到廣泛的應用[3]。從家里的洗衣機、電冰箱，到作為交通工具的自行車、小汽車，到辦公室里的遠程會議系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)通常由硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)構成。在嵌入式操作系統(tǒng)的統(tǒng)一調度管理下實現(xiàn)對所有系統(tǒng)資源的合理利用和分配，達到提高系統(tǒng)性能和有效利用有限資源的目的。μCOS-Ⅱ作為一個源碼開放的嵌入式實時操作系統(tǒng)，同時具有良好的可移植性、可裁剪性、可剝奪性、穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點，使其成為許多嵌入式操作系統(tǒng)的首選。本文將μCOS-Ⅱ在Freescale的8位處理器芯片HC9S08上移植實現(xiàn)。

2、μCOS-Ⅱ系統(tǒng)結構

μCOS-Ⅱ是一個完整的可移植可固化可裁剪的搶占式實時多任務內核。可以在不需要做很大修改的基礎上方便的移植到多種處理器上。條件是：該處理器要具有一定數(shù)量的堆棧，能夠使用軟件中斷，產(chǎn)生定時器中斷，此外，編譯器要支持可重入代碼，并且要能使用匯編實現(xiàn)對處理器內部寄存器的相關操作[2] [4]。通過μCOS-Ⅱ的管理，使多個任務之間相互協(xié)調，分時的占用CPU，實現(xiàn)充分利用資源和實時等相應的功能。

任務通常是一個死循環(huán)，用來完成某一特定的功能;一個任務相當于一個線程。μCOS-Ⅱ可以管理多達64個任務，每個任務都具有一個唯一的合法優(yōu)先級。但是，優(yōu)先級最低的那個任務已經(jīng)被系統(tǒng)定義為空閑任務，用戶不能使用。用戶可以通過函數(shù)OSTaskCreate()來創(chuàng)建任務，通過 OSTaskDel()來刪除任務。任務可能有以下五種狀態(tài)：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待狀態(tài)、中斷服務態(tài)。利用不同的系統(tǒng)函數(shù)可以實現(xiàn)任務在各狀態(tài)之間的轉換。μCOS-Ⅱ通過對就緒表的操作總是選擇在就緒任務中優(yōu)先級最高的那個任務開始運行。任務級的調度是由函數(shù)OSSched()來完成的;而中斷級的調度是由OSIntExt()完成的。任務切換的過程分為兩步：將被掛起任務的處理器寄存器狀態(tài)保存在它的任務堆棧中;將將要執(zhí)行的任務堆棧中保存的寄存器值彈到處理器中，然后執(zhí)行中斷返回指令。這樣新的任務就擁有了CPU，開始執(zhí)行。直到它掛起，或者是被更高優(yōu)先級的任務中斷。μCOS-Ⅱ就是在對各種任務的切換之間起協(xié)調作用的協(xié)調者。

3、HC9S08的硬件結構

每個HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個存儲器以及外設模塊組成。HCS08 核主要包括：

①HCS08 CPU

②背景調試控制器(BDC)

③支持多達32個中斷/復位源

④芯片級地址譯碼

HCS08CPU包括和M68HC08相同的寄存器。其中包括一個8位累加器(A)，一個可分別存取高8位和低8位的16位變址寄存器 (HX)，一個16位棧指針(SP)，一個16 位程序計數(shù)器(PC)和一個狀態(tài)碼寄存器(CCR)，該CCR 包含5個處理器狀態(tài)標志(V，H，N，Z 和C)和全局中斷屏蔽標志(I)。HCS08核定義的5個主要的存儲空間。

直接頁寄存器主要包括I/O 端口寄存器和大部分的外設控制和狀態(tài)寄存器;RAM區(qū)的地址緊接在直接頁寄存器地址的后面并且向高地址延伸，堆棧空間就落在RAM中。一般將堆棧的棧頂初始化在RAM的高地址部分。和大部分的處理器一樣，HCS08的堆棧增長方向是向下的。高地址頁寄存器位于$1800到$182B之間，由于這些寄存器比直接頁寄存器的使用頻率要少的多，所以它們沒有安排在珍貴的直接頁地址空間中;FLASH存儲器分配64K字節(jié)的存儲空間最終分配到地址$FFFF。這一塊的起始地址取決于MCU有多少FLASH存儲空間;向量區(qū)是FLASH區(qū)的一部分，位于$FFC0-$FFFF中，但是它是單獨解碼的，所以當中斷向量取出時別的HCS08模塊可以識別出來。

4、μCOS-Ⅱ的移植

μCOS-Ⅱ絕大部分的代碼是用ANSI C編寫的，可移植性好。但是用戶在移植時還需要修改相應的幾個文件。與應用相關部分需要用戶根據(jù)自己實際應用的需要進行配置，與處理器相關的部分需要用戶根據(jù)不同處理器的結構修改相應的代碼，以使操作系統(tǒng)能夠準確的進行任務的切換等[1]。主要需要修改的函數(shù)如下：

1.OS_CPU.H 它主要包括了用#define語句定義的、與處理器相關的常數(shù)、宏以及類型。比如：typedef unsigned char INT8U、#define OS_TASK_GROUTH 1以及如何處理臨界代碼段等。

2.OS_CPU_C.C 在這個文件中要求用戶編寫10個簡單的C函數(shù)，但是唯一必須要修改的是OSTaskInit();這個函數(shù)初始化堆棧，應該按照中斷時系統(tǒng)保護現(xiàn)場的進棧順序來初始化堆棧結構。對于HCS08系列單片機來說，當中斷發(fā)生時，依次進棧的是PCL、PCH、X、A、和CCR寄存器值。同時為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定還把額外的一個變址寄存器H進棧，有時還要保存頁值。初始化完成后，將棧頂位置SP保存在任務控制塊TCB中。

3.OS_CPU_A.ASM 在這個文件中需要修改關鍵的四個函數(shù)。

(1)OSStartHighRdy() OSStart()函數(shù)調用它來是就緒任務中優(yōu)先級最高的任務開始運行。這部分一般要求用戶把它轉化成匯編語言實現(xiàn)。本文中代碼如下：

OSTaskSwHook();

asm lda #$01

asm sta OSRunning

asm ldhx OSTCBHighRdy

asm ldhx 0, x

asm txs

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

(2)任務級切換函數(shù)OSCtxSw() 主要通過執(zhí)行軟中斷或TRAP來實現(xiàn)在任務級的切換功能。其中中斷向量指向OSCtxSw()函數(shù)的入口地址。在OSSched()的最后操作系統(tǒng)調用 OS_TASK_SW執(zhí)行軟中斷或TRAP指令，該指令找到對應的OSCtxSw()實現(xiàn)任務的切換。OSCtxSw()首先要保存當前運行任務的各寄存器狀態(tài)到自己的堆棧中，并且保存當前棧頂位置;然后找到將要運行的任務，并且把保存該任務堆棧中的寄存器彈到CPU內部寄存器中，執(zhí)行中斷返回指令，這樣使CPU從新的任務處執(zhí)行，直到下一個任務切換的到來。執(zhí)行代碼如下：

asm psha

asm pshh

asm tsx

asm pshx

asm pshh

asm ldhx OSTCBCur

asm pula

asm sta 0, x

asm pula

asm sta 1, x

OSTaskSwHook();

asm lda OSPrioHighRdy

asm sta OSPrioCur

asm ldhx OSTCBHighRdy

asm sthx OSTCBCur

asm ldhx 0, x

asm txs

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

(3)中斷級任務切換函數(shù)OSIntCtxSw() 該函數(shù)在ISR中執(zhí)行任務的切換功能。由于是在中斷中執(zhí)行的，處理器的大部分寄存器值都已經(jīng)自動保存在堆棧中了，所以該函數(shù)的大部分代碼都和OSCtxSw()相同，只是前半部分保存寄存器的功能不要了。

(4)OSTickISR()時鐘節(jié)拍服務函數(shù)μCOS-Ⅱ要求用戶提供一個周期性的時鐘源，來實現(xiàn)時間的定時和超時功能。這部分功能由該函數(shù)實現(xiàn)。這個函數(shù)首先保存寄存器的值，然后設置中斷標志、清中斷，再調用OSTimeTick()遞減延時計數(shù)，判斷是否要在中斷中切換任務，最后恢復處理器寄存器，執(zhí)行中斷返回指令，返回到中斷處繼續(xù)執(zhí)行。代碼如下：

SRTISC_RTIACK = 1;

asm lda PAGE

asm psha

asm pshh

asm lda OSIntNesting

asm add #1

asm sta OSIntNesting

asm cmp #1

asm bne Tmr_TickISR1

asm tsx

asm pshx

asm pshh

asm ldhx OSTCBCur

asm pula

asm sta 0, x

asm pula

asm sta 1, x

asm Tmr_TickISR1:

OSTimeTick();

OSIntExit();

asm pulh

asm pula

asm sta PAGE

asm rti

5、結論

本文將μCOS-Ⅱ移植到8位系列單片機上，并且在MC9S08AW60上穩(wěn)定的運行，有效提高了該系統(tǒng)的性能，充分利用系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)的實時性能得到很大的提高，開闊了應用范圍。同時，作者也將該系統(tǒng)在HCS08的另外兩款單片機MC9S08QE128和MC9S08GB60上移植實現(xiàn)。