实时操作系统在ARM上移植的研究与实现

第1页第一章绪论1.1本课题研究的背景及内容简介今天，凡移动电话、手表、电子游戏机、PDA、电视、冰箱、顶盒、数字电视、WebTV等家用电子与通信产品，电动车、电动自行车乃至于电车等电动交通工具的控制核心，智能工控设备、POS/ATM机、IC卡等工业控制领域和商业管理领域无不与嵌入式系统息息相关。而在后PC时代，家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将到来的智能型房屋、智能型办公室、与其他跟电相关的器材设备更是缺少不了嵌入式系统这个核心技术。从某一个角度来看，嵌入式系统可应用于人类工作与生活的各个领域，具有极其广阔的应用前景。此外还有在媒体手机、袖珍电脑、掌上电脑、车载导航器等方面应用，都将极大地推动嵌入式技术深入到生活和工作的方方面面。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。1998年11月在美国举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的EmbeddedSystem成为一个新的热点。嵌入式的RTOS是整个嵌入式系统的核心。RTOS支持多任务，应用程序被分解成多个子任务，程序开发变得更加容易，便于维护，易读易懂。可以提高开发效率，缩短开发周期。μC/OS-II读作“microCOS2”,意为“微控制器操作系统版本2”。是源码公开的著名实时内核，可用于8位、16位、和32位单片机或DSP。从μC/OS-II算起，已有10多年应用史，在诸多领域得到广泛应用。μC/OS-II是一个完整的、可移植、可固化及可裁剪的占先式实时多任务内核。它提供了64个优先级，并用优先级来标识任务，完成进程的调度，它提供时间管理，任务管理，进程间通讯，内存管理等基本功能。它本身就是针对嵌入式应用而设计的源代码开放的RTOS，目前，μC/OS-II已经应用在很多领域，比如医疗设备，发动机控制，网络设备，自动提款机及工业机器人等。μC/OS-II实际上可以简单地看作是一个多任务的调度器，在这个任务调度器之上完善并添加了和多任务操作系统相关的一些系统服务，如信号量、邮箱等。它的90%的代码都是用C语言写的，包含一小部分汇编语言代码，使之可以供不同架构的微处理器使用。因此只要有相应的C语言编译器，基本上就可以直接移植到特定处理器上，这也是μC/OS-II具有良好的可移植性的原因。移植工作的绝大部分都集中在多任务切换的实现上，因为这部分代码主要是用来保存和恢复处理器现场（即相关寄存器），因此不能用C语言，只能使用特定的处理器汇编语言第2页完成。从8位到64位，μC/OS-II至今已在超过40种不同架构的微处理器上运行。ARM（AdvancedRISCMachines）,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以是一种技术的名字。ARM是目前在嵌入式领域里应用最广泛的RISC微处理器结构，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品消费市场，以其低成本、低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有以下特点：体积小、低成本、低功耗、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。LPC2292是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有256K字节（KB）嵌入的高速Flash存储器。由于LPC2292的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2/4路CAN，以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。在144脚的封装中,可使用的GPIO高达76（使用了外部存储器）～112个（单片应用）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modem以及其他各种类型的应用。1.2国内外生产需求市场分析嵌入式系统是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，在IT领域占有很大的比重。基于ARM的嵌入式处理器成为当前嵌入式领域研究的一个亮点。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权，由于ARM技术具有很高的性能和功效，因而容易被厂商接受。同时，合作伙伴的增多，可获得更多的第三方工具、制造和软件支持，使整个系统成本降低，产品进入市场的时间加快，从而具有更大的竞争优势。据GartnerInc统计，2002年ARM在全球半导体IP供应商中仍然排名第1，占市场份额19.8%。销售收入达1.8亿美元，比2001年增长10%。可见，ARM将是32位主流的嵌入式CPU。ARM（AdvancedRISCMachines）是目前在嵌入式领域里应用最广泛的RISC微处理器结构，以其低成本、低功耗、高性能、体积小等显著优势，在移动计算第3页和普适计算领域具有无可比拟的优势，因此得到众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位RISC嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上的32位RISC嵌入式产品市场份额，确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的半导体生产商已经超过50家，国内多家大公司也已经购买ARM公司的芯核用于通信专用芯片的设计。鉴于目前ARM微处理器在国内的逐步推广应用，已有部分工科院校开设了基于ARM架构的32位微处理器的相关课程。ARM系列的处理器当前有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等多个产品，此外ARM公司合作伙伴，例如Intel也提供基于XScale微体系结构的相关处理器产品。所有的ARM处理器都共享ARM通用的基础体系结构，所以开发者在不同的ARM处理器上做操作系统移植时，可以将节省相当多的工作量，这无疑将大大降低软件开发成本。而且，只要进行ARM研究的都会对μC/OS-II进行剖析，对该操作系统移植到ARM系列微处理器将为进入基于32位嵌入式系统开发打下一个坚实的基础。由此可见，进行实时操作系统μC/OS-II在ARM上的移植的研究是具有巨大商业市场潜力的，具有相当的实用性、高效性和可行性。1.3现阶段发展状况及趋势嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的数字化改造、提高生产效率等方面起到了极其重要的推动作用。我们可以预测：一个全方位的嵌入式系统应用即将来临，随着嵌入式系统的研究和应用的进一步深入，嵌入式系统向高性能、低功耗、微型化和开发平台源代码公开化方向发展。并在与各个行业的具体应用相结合的过程中，对国民经济进行全方位的渗透，在我国国家现代化进程中发挥巨大推进作用。1.4选题意义及主要研究目标由上述可见，μC/OS-II是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核，而且具有良好的可移植性。而ARM是目前在32位嵌入式领域里应用最广泛的RISC微处理器结构，以其低成本、低功耗、高性能、体积小等显著优势。如果把两者结合，将在该领域具有无可比拟的优势，包括相当的实用性、高效性、可行性和巨大的商业市场潜力，这就是我的选题目的、意义。本课题的主要设计目标是将实时操作系统μC/OS-II移植到ARM系列芯片LPC2292上，并实现实时操作系统的基本功能示例程序，验证操作系统移植是否成功。第4页第二章嵌入式系统2.1嵌入式系统的概念根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监事或者辅助设备、机器和车间运行的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。这主要是从应用上加以定义的。目前对嵌入式系统定义还有一些争议，一个得到较多认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。按以应用为中心的分类方法将计算机分为两类：嵌入式计算机（即嵌入式系统）和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，典型代表为PC；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。一般将传统的单片机系统称为嵌入式系统的低端应用，目前常说的“嵌入式系统”一般是指嵌入式系统的高端应用，指带有嵌入式操作系统的嵌入式系统，本文所论述的嵌入式系统也是指后者。2.2嵌入式系统和通用计算机的特点对比与通用的计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点：（1）专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感，其软硬件够用即可。因此，它在体积、功耗和配置等方面有明显的约束；（2）实时响应：嵌入式系统是某种技术过程信号处理和控制的核心处理环节，必须满足技术过程的时限要求，一定要具有实时处理的特性；（3）并发处理：在嵌入式系统的应用环境中，系统处理的事件往往是多个，而且可能同时发生，所以嵌入式系统一般具有并发特点；（4）稳定可靠：嵌入式系统产品使用环境不定，使用条件往往恶劣，故其稳定性和可靠性是系统的必须具备的条件；（5）技术密集：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统；（6）开发困难：嵌入式系统本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和第5页环境才能进行开发,它的开发依赖于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。（7）形式多样：嵌入式系统应用于国民经济各个领域，造成其品种繁多，形式多样。2.3嵌入式系统的突出特征2.3.1嵌入式软件特征由于嵌入式系统是实时系统，其软件首先要满足高实时性的要求；其次，由于嵌入式系统往往出于某一技术过程的核心环节，健壮可靠是其基本要求；再次，由于系统处理的事件往往不是单一的，要求其系统软件能对多任务进行合理调度；最后，嵌入式系统一般是软硬件合一的系统，软件要求存储于存储器芯片或单片机本身中，由于系统的存储空间是比较宝贵的，要求软件代码简洁高效，同时，这也是为了提高执行速度和系统的可靠性。2.3.2嵌入式系统具有的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。和通用计算机不同，嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，所以嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。2.42.4.1根据嵌入式系统的结构形态分类：（1）芯片级嵌入式系统即微控制器和SoC，，如MCS-51、AVR和ARM嵌入式微控制器等。（2）模板机嵌入式系统以微控制器为核心，配以外围功能器件构成的单板机，如各种常见的数据采集卡、显卡和网卡等。（3）系统级嵌入式系统工业PC机PC与兼容的嵌入式PC机。第6页2.4.2嵌入式系统技术的应用领域：（1）工业控制基于嵌入式处理器的工业自动化装备具有很大的发展空间，目前有大量的嵌入式芯片应用于工业过程控制、数控机床、电力系统、电网设备监控、石油化工系统等领域。（2）交通管理在车辆导航、流量控制、信息检测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得广泛的应用。（3）智能楼宇系统水、电、煤气的自动抄表系统，安全防火、防盗系统等。（4）信息家电信息家电领域将成为嵌入式系统应用的最大领域，电视、冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活进入一