引言

μC／OS-III是一款基于優先級調度的搶占式實時內核，Micrium公司于2011年8月公開了μC／OS-III的源碼，其源碼遵循ANSIC標準，因而具有良好的移植性，相信其將會被移植到越來越多的處理器體系上。本文主要完成基于Cortex-M3處理器的μC／OS-III移植，通過本次移植，加深對嵌入式操作系統原理的理解。此外，在μC／OS-III移植成功的基礎上進行嵌入式應用程序開發，可以把主要精力集中到應用程序上，而硬件資源交由μC／OS-III管理，從而使得嵌入式應用程序更易開發和維護，在嵌入式軟硬件結構變得越來越復雜的今天具有現實意義。

1 μC／OS-III和Cortex-M3特點

相對以前的版本，μC／OS-III最大改進之處在于允許多個任務運行于同一優先級上，相同優先級的任務按時間片輪轉調度，內核對象的數量不受限制，以及接近于零的中斷禁用時鐘周期。

Cortex-M3是ARM公司推出的基于ARMv7-M架構的內核，主要針對高性能、低成本和低功耗的嵌入式應用。Cortex-M3擁有固定的存儲器映射，采用更高效的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）、更簡單的堆棧以及更高性能的指令集，且NVIC（包括SysTick）的寄存器位置固定，極大地方便了μC／OS-III的移植及在基丁Cortex-M3內核的處理器之間的遷移。

2 移植

2．1 移植方案

本文移植μC／OS-III內核的版本為V3．02．00，其源代碼下載地址見參考文獻。選用意法半導體（ST）公司生產的基于Cortex-M3內核的STM32F103RBT6微控制器作為硬件實驗平臺，而編譯環境采用RealViewMDK V3．5。

Cortex-M3支持兩種特權級別：特權級和用戶級，μC／OS-III內核和用戶代碼都運行于特權級下。Cortex-M3還支持兩個棧指針MSP和PSP，μC／OS-III內核和ISR（Interrupt Service Routine）使用MSP，μC／OS-III的任務則使用PSP。

首先針對Conex-M3處理器的特性編寫與內核、CPU和BSP（Board Support Package）相關的源代碼，然后創建若干個簡單的用戶任務，在具體的硬件平臺上測試移植后的μC／OS-III。

2．2 內核相關

2．2．1 編寫os_cpu．h

os_cpu．h頭文件主要是對上下文切換函數和時間戳獲取函數進行宏定義。μC／OS-III的上下文切換包括兩種類型：任務級上下文切換OS_TASK_SW（）和中斷級上下文切換OSIntCtxSw（）。它們使用相同的代碼置位ICSR．PENDSVSET以懸起PendSV異常，由PendSV的ISR“緩期執行”上下文切換。

OS_TS_GET（）的作用是獲取當前時間戳，若使能μC／OS-III的時間戳功能，則將OS_TS_GET（）宏定義為CPU_TS_TmrRd（），否則簡單地宏定義為0。

2．2．2 編寫os_cpu_a．asm

在os_cpu_a．asm文件中需要用匯編指令實現OSStartHighRdy（）函數和PendSV的ISR。OSStartHighRdy（）函數被內核用于調度第一個最高優先級的就緒任務，以開始多任務運行環境，匯編代碼實現如下：

Cortex-M3支持PendSV異常，而PendSV異常的典型應用場合就是上下文切換。得益于Cortex-M3的中斷機制，μC／OS-III上下文切換只需保存和恢復R11～R4、PSP，而PSR、PC、LR、R12、R3～R0由硬件自動保存和恢復。PendSV的ISR匯編代碼如下：

2．2．3 編寫os_cpu_c．c

os_cpu_c．c文件包含了OSTaskStkInit（）函數和若干鉤子函數。OSTaskStkInit（）函數的作用是在創建任務時初始化任務棧，并返回新的棧頂位置。μC／OS-III基于Cortex-M3的任務棧結構如圖1所示。其中PSR、PC、LR、R1、R0五個寄存器應賦予正確的初值，而其他11個寄存器的初值無關重要。

os_cpu_c．c文件中的鉤子函數是μC／OS-III為了擴展用戶功能而定義的。進行μC／OS-III移植時至少需要定義OSTaskSwHook（）、OSIn itHook（）、OSTimeTickHook（）、OSIdleTaskHook（）、OSStatTaskHook（）、OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskReturnHook（）

八個鉤子函數。為了簡單起見，本次移植不塒鉤子函數作功能擴展。

2．3 CPU相關

2．3．1 編寫cpu. h

cpu．h頭文件主要包括對標準數據類型、字長、棧、臨界區的相關定義。標準數據類型與具體的編譯器相關，需要查閱相應的編譯器手冊。Cortex-M3字長是32位，則CPU_DATA和CPU_ADDR皆定義為CPU_INT32U類型。Cortex-M3使用滿降序棧，棧增長方向應為從高地址到低地址。臨界區方法選用CPU_CRITICAL_METHOD_STATUS_LOCAL。

2．3．2 編寫cpu_a．asm

cpu_a．asm文件的最主要部分是臨界區函數的實現。根據所選用的臨界區方法，中斷使能函數CPU_SR_Save（）和中斷禁用函數CPU_SR_Res tore（）代碼實現如下：

Cortex_M3的指令集提供了CLZ指令，則可選地使用匯編指令實現CPU_CntLeadZeros（）函數，以加快μC／OS-III調度器查找最高優先級的就緒任務的速度，CPU_CntLeadZeros（）函數匯編代碼實現如下：

CPU_CntLeadZeros

CLZ R0，R0

BX LR

2．4 BSP

Cortex-M3內核包含了一個SysTick定時器，可以用來給μC／OS-III提供系統時鐘節拍。SysTick初始化和ISR的源代碼實現分別如下：

μC／OS-III新增了時間戳功能，用于測量中斷禁用時長、代碼執行時長和確定事件發生時間等。時間戳定時器可以由DWT（Data Watchpo int and Tracc）的時鐘周期計數器CYCCNT充當，該計數器是一個自由運行的32位遞增計數器，溢出時自動重載為0，周而復始。時間戳定時器初始化和讀取函數源代碼實現分別如下：

此外，本移植過程的BSP還涉及RCC、GPIO、NVIC和LED／LCD等硬件的初始化函數和驅動程序。

3 測試

首先不加任何用戶任務來測試移植好的μC／OS-III內核自身運行情況，待驗證內核正常運行之后，編寫TaskLed1、TaskLed2、TaskLe d3、TaskProfile四個任務，其中前3個任務被賦予相同的優先級（本移植是假設使能了μC／OS-III的輪轉調度功能），實現對3盞LED燈不停地

閃爍；而TaskProfile的功能是在液晶屏上顯示上下文切換次數。

運行結果如圖2所示。圖中3盞LED燈不停地閃爍，驗證了μC／OS-III的相同優先級任務輪轉調度的特征；LCD上顯示CtxSwCtr的值一直在增加，指示不斷發生上下文切換。系統連續穩定運行5個小時以上沒出現任何問題，可見本移植是成功的。

結語

本文主要論述了基于Cortex-M3內核處理器上μC／OS-III的移植過程并給出關鍵代碼，移植后的μC／OS-III能夠穩定運行于STM32F103RB T6處理器上。本移植能通用于大部分Cortex-M3內核的處理器，并對于將μC／OS-III移植到其他體系結構的處理器上具有參考價值。