μCOS移植技术探究

于江涛，吴兆芝(.通化师范学院计算机科学系，吉林通化3400;.南京晓庄学院数学与信息技术学院，江苏南京7)

μCOS移植技术探究

于江涛1，吴兆芝2
(1.通化师范学院计算机科学系，吉林通化134002;2.南京晓庄学院数学与信息技术学院，江苏南京211171)

文中以X86平台及ARM平台为例，分析了μCOS嵌入式内核移植的技术要点.内容包括X86平台及ARM平台硬件环境的简述、操作系统引导及装载程序的设计、μCOS运行之前硬件环境的建立、μCOS与平台相关接口程序、设备驱动程序、实用库函数的设计等.

μCOS;嵌入式内核移植;X86平台;ARM平台;GNU工具链

μCOS是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是与很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS).为了提供最好的移植性能，μCOS最大程度上使用ANSIC语言进行开发，并且已经移植到近40多种处理器体系上，涵盖了从8位到64位各种CPU(包括DSP).

由于μCOS结构清晰、代码简洁，便于学习、研究与开发，被众多高校作为实时操作系统平台用于嵌入式系统教学、实验与科研.μCOS被广泛移植到各种硬件平台上，如目前最为流行的X86平台及ARM平台等.本文以这两种常用移植平台为例，对μCOS的移植技术进行分析.

1 μCOS移植要点

μCOS移植的基本思想在文献［1］中有详细论述，本文以X86平台和ARM平台为例，对μCOS移植技术加以阐述.

第一步，建立运行μCOS所需的系统环境，如主机引导启动、设置中断/异常处理等，这部分内容是移植过程所需的重点工作之一.对于各种不同硬件平台，这部分的差别很大，但道理都是类似的.

第二步，设计μCOS与硬件平台相关的接口程序，主要有os_cpu.h()、os_cpu_c.c()、os_cpu_a.s ()及os_cfg.h()等.这部分内容尽管与硬件平台相关，但由于μCOS已考虑到系统的移植问题，采用中断方式切换进程，所以其C语言程序区别不大，而汇编程序则区别较大.

第三步，设计相应的设备驱动程序.μCOS内核没有自己的输入输出设备，因此需要根据不同的平台设计相应的设备驱动程序.对于X86平台而言，主要是显示器和键盘;对于ARM平台而言，可以使用串口作为主控机与运行中的ARMμCOS进行交互的渠道，μCOS运行过程中通过串口与主控机的超级终端交换信息.

第四步，设计相关的实用库函数，如memcpy()、vsprintf()、sprintf()等.作为独立的操作系统，μCOS不能直接使用开发环境的C程序库，而必须设计自己专用的必要的库函数.

此外，还要选择适当的移植工具，如开发平台、C编译器、汇编语言等.对于高校的嵌入式系统教学、实验及科研而言，笔者赞成文献［2］中的观点，认为应选用GNU工具链作为开发工具.尽管GNU工具链中汇编语言使用的AT＆T语法与Windows操作系统常用的Intel语法区别较大，然而Linux操作系统从一开始就使用AT＆T语法，这是高校计算机专业教学必须面对的现实.引导高校学生掌握乃至精通开源工具的使用，对于培养IT人才、增强学生的可持续发展潜力，都具有重要意义.

2 μCOS移植技术分析

2.1 X86平台及ARM平台简述

由于X86平台具有丰富的硬件资源、功能较强的输入输出设备(如键盘、显示器等)，在X86平台上移植μCOS将更便于对其进行研究与实验.μCOS的设计者在文献［1］中给出了将μCOS移植到X86平台的方法.但该方法使用的是现已少见的Borland C编译环境，而且只实现μCOS在X86实模式下的移植，并没有体现X86保护模式的功能与特点.

保护模式是一种80286系列及后继X86兼容CPU的操作模式.保护模式有一些新的特色，设计用来实现多任务并增强系统稳定性，支持内存保护、分页系统以及虚拟内存.目前大部分X86操作系统都在保护模式下运行，包含Linux、FreeBSD、以及微软Windows 2.0及之后版本.因此，无论从实际应用还是从专业教学的角度，都应该研究μCOS在X86保护方式下的移植技术.

ARM(Advanced RISCMachines)，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，还可以认为是一种技术的名字.目前，采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，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市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到各个方面.目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此使ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，具有更强竞争力.

鉴于上述原因，国内各高校都把ARM平台作为嵌入式教学与实验的首选平台.研究μCOS在ARM平台的移植技术，无疑具有重要的实用价值.

2.2 μCOS内核的引导与装载

操作系统内核的引导与装载是移植工作的第一步，是运行操作系统内核的基础.

(1)基于X86保护模式的引导与装载.在X86平台保护模式下操作系统的引导过程如下:

①BIOS加载并启动保存在硬盘MBR中的引导程序，该引导程序一般在操作系统安装时写入.②MBR引导程序扫描所有分区表，找出活动分区.③MBR引导程序加载并启动保存在活动分区PBR中的引导程序.④活动分区PBR中的引导程序加载并启动安装在其上的操作系统.显然PBR引导程序与操作系统密切相关，一般在操作系统安装时写入.

一般来说，由软盘引导操作系统主要有三种方式:

①按软盘逻辑扇网顺序存放启动模块、装载模块和内核模块，其中内核模块为无格式二进制文件.②按软盘逻辑扇网顺序存放启动模块、装载模块和内核模块，其中内核模块为ELF可执行文件格式.③用Fat文件系统软盘启动.将启动模块存放在主引导扇区，装载模块及内核模块链成一个Fat文件，拷贝到软盘上.其中内核模块为ELF文件格式.

第二种及第三种方式的内核模块由于是ELF格式，需要在引导过程中动态安装.但可以根据需要，设计不同的内核基址，使操作系统内核对内存的使用与配置更为灵活.

在X86平台引导启动后，要从实模式进入保护模式.保护模式的一项重要内容是全局描述符及局部描述符.由于μCOS在运行过程中不涉及X86的任务切换，所以只需为μCOS准备一套局部描述符即可.接下来的工作是开启A20总线、加载全局描述符及中断描述符、切换到保护模式，跳转到保护模式.

(2)基于ARM平台的引导与装载.在ARM裸机环境下，操作系统的引导与安装涉及到硬件初始化、中断初始化、MMU初始化等工作.目前国内高校采用的嵌入式ARM教学实验系统多为ARM实验箱，一般都配备了vivi作为bootloader.由于vivi程序实现了操作系统引导安装的绝大多数工作，所以在这种环境下的移植操作系统可使引导过程极大简化.然而，移植之后的系统也只能通过vivi引导，而不能在ARM裸机上脱离vivi而直接启动.文献［2］提出一种ARM主机自适应启动程序，较好地解决了这个问题.它不仅适用于μCOS的移植，同样也可作为其它ARM应用系统的启动程序，尤其适用于ARM平台的各种基础实验.

2.3 μCOS运行环境初始化

一般来说，μCOS的初始化工作要由汇编程序及C程序共同完成.

对于X86平台，主要涉及到8259A中断控制器初始化、中断向量的初始化、时钟中断初始化、键盘中断初始化等.还要设计一个中断向量设置函数os_ setvect()，供μCOS运行时调用.

对于ARM平台，主要涉及ARM硬件初始化、中断向量初始化、串口初始化、时钟初始化及LED初始化等.

ARM硬件初始化主要是SDRAM相关的寄存器设置.中断向量初始化部分，为简单起见，除复位中断(Reset)和外部请求中断(IRQ)之外，其余中断处理可简单地设置为显示中断信息后进入无限循环的方式.串口初始化是对S3C2410串口寄存器的初始化工作.时钟初始化是对时钟寄存器的初始设置.

2.4 μCOS平台相关程序

μCOS移植的另一个重点是μCOS平台相关程序的设计.

对于X86平台，文献［1］给出了在X86实模式下的设计方法.在X86保护模式下，其设计思想类似，对照文献［1］中给出的X86实模式程序，加以适当改动，不难实现X86保护模式下相应程序.

对于ARM平台，文献［3］给出了在ARM平台上移植μCOS的实现技术与设计方法.参照文献［3］，加以适当改动，不难实现相应程序.

值得注意的是，文献［1］和［3］中给出的程序都不是使用GNU工具链开发的.因此，如果使用GNU工具链移植μCOS，则其汇编语言程序不仅要适应相应的硬件环境，同时还需要用AT＆T汇编语法来编写.

2.5 设备驱动程序

对于X86平台，主要包括屏幕显示及键盘中断.

屏幕显示一般主要有以下功能:清屏、设置光标位置、读取光标位置、设置字符颜色、屏幕滚动、屏幕定位、显示字符及字符串等.此外，还应该有TTY方式的屏幕输出函数，负责处理常用控制字符，如:回车符＇ ＇、制表符＇ ＇、退格符＇＇等.

由于μCOS内核本身不需键盘支持，所以键盘中断一般无需设计得过于复杂，只要能实现一些简单功能即可，如可显示字符、退格键、回车键、大小写转换等.

对于ARM平台，为简单起见，可使用串口通信程序使μCOS与主控机进行交互.

串口通信程序主要包括对串口的读写操作，主要有字符及字符串输入程序、字符及字符串输出程序和字符串格式化输出程序等.串口采用的通信方式会影响到通信效率，为此可采用FIFO方式实现串口通信.

2.6 库函数

μCOS作为一个独立的操作系统，必须有自己专用的库函数，如内存操作(memcpy()、memset()等)、字符串操作(strcmp()、strcpy()、strlen()等)、格式化输出函数(vsprintf())等.这些函数都可以用C语言实现.如考虑运行速度，也可以将内存操作函数用汇编语言实现.格式化输出函数至少要包含整数(%d)、16进制数(%x)、字符(%c)及字符串(% s)格式.

3 结束语

μCOS为教学研究提供免费版本，受到嵌入式研究领域的广泛关注.国内很多高校及嵌入式系统培训机构都用μCOS作为嵌入式系统教学及实验平台，众多实验设备厂商也推出了各种支持μCOS移植的嵌入式实验设备.用GNU工具链从事μCOS的移植与应用研究，对于高校的嵌入式系统教学与科研无疑具有重要的实用价值.

X86平台及ARM平台是最有代表性的嵌入式系统平台.在高校嵌入式系统教学及研究方面，一方面可使用X86平台，充分利用其丰富的输入输出功能以方便对嵌入式操作系统的研究;另一方面可使用ARM平台，在教学及实验过程中为学生提供真实的嵌入式系统环境.因此，在X86及ARM这两种平台上加强对μCOS移植技术的研究很有必要，也很有实际意义.

［1］［美］Jean J.Labrosse嵌入式实时操作系统μC/OS－II［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［2］曲波.ARMμCOS自适应启动程序的设计与实现［J］.南京晓庄学院学报，2010，3(5).

［3］Micriμm Co.，Ltd.μC/OS－IIand ARM Processors［EB/OL］.http://www.Micriμm.com，2007.

(责任编辑:王前)

Abstract:Based on X86 and ARM platforms，the paper analyzes themain issues of porting embedded kernelμCOS.It consists of a brief description of the hardware environmentof X86 and ARM platforms，design of the OS booting and loading program，establishing of hardware environment before runningμCOS，the design of the platform－dependent interface ofμCOS，device drivers and utility library functions，etc.

Key words:μCOS;embedded kernel porting;X86 platform;ARM platform;GNU tool chain

Brief Analysis onμCOS Porting Technique

YU Jiang－tao1，WU Zhao－zhi2
(1.Department of Computer Science，Tonghua Normal University，Tonghua，Jilin 134002，China;
2.School of Mathematicsand Information Technology，Nanjing Xiaozhuang College，Nanjing，Jiangsu 211171，China)

TP316

A

1008－7974(2011)04－0017－03

2011－03－02

于江涛(1969－)，男，吉林通化人，通化师范学院计算机科学系教授.