80x86, 大模式编译下的移植.doc

1、C/OS-II在 80x86上的移植本章将介绍如何将C/OS-II移植到Intel 80x86系列CPU上，本章所介绍的移植和代码都是针对80x86的实模式的，且编译器在大模式下编译和连接。本章的内容同样适用于下述CPU：80186802868038680486PentiumPentium II实际上，将要介绍的移植过程适用于所有与80x86兼容的CPU，如AMD，Cyrix，NEC (V-系列)等等。以Intel的为例只是一种更典型的情况。80x86 CPU每年的产量有数百万，大部分用于个人计算机，但用于嵌入式系统的数量也在不断增加。最快的处理器（Pentium系列）将在2000年达到1G的

2、工作频率。大部分支持80x86（实模式）的C编译器都提供了不同的内存使用模式，每一种都有不同的内存组织方式，适用于不同规模的应用程序。在大模式下，应用程序和数据最大寻址空间为1Mb，程序指针为32位。下一节将介绍为什么32位指针只用到了其中的20位来寻址（1Mb）。本章所介绍的内容也适用于8086处理器，但由于8086没有PUSHA指令，移植的时候要用几条PUSH 指令来代替。图F9.1显示了工作在实模式下的80x86处理器的编程模式。所有的寄存器都是16位，在任务切换时需要保存寄存器内容。图F9.1 80x86 实模式内部寄存器图.80x86提供了一种特殊的机制，使得用16位寄存器可以寻址1

3、Mb地址空间，这就是存储器分段的方法。内存的物理地址用段地址寄存器和偏移量寄存器共同表示。计算方法是：段地址寄存器的内容左移4位（乘以16），再加上偏移量寄存器（其他6个寄存器中的一个，AX，BP ，SP，SI，DI 或IP ）的内容，产生可寻址1Mb的20位物理地址。图F9.2表明了寄存器是如何组合的。段寄存器可以指向一个内存块，称为一个段。一个16位的段寄存器可以表示65,536个不同的段，因此可以寻址1,048,576字节。由于偏移量寄存器也是16位的，所以单个段不能超过64K。实际操作中，应用程序是由许多小于64K的段组成的。图F 9.2 使用段寄存器和偏移量寄存器寻址.代码段寄存器（

4、CS）指向当前程序运行的代码段起始，堆栈段寄存器（ SS）指向程序堆栈段的起始，数据段寄存器指向程序数据区的起始，附加段寄存器（ES）指向一个附加数据存储区。每次CPU寻址的时候，段寄存器中的某一个会被自动选用，加上偏移量寄存器的内容作为物理地址。文献中会经常发现用段地址偏移量表示地址的方法，例如1000：00FF表示物理地址0x100FF。9.00 开发工具笔者采用的是Borland C/C+ V3.1和Borland Turbo Assembler 汇编器完成程序的移植和测试，它可以产生可重入的代码，同时支持在C程序中嵌入汇编语句。编译完成后，程序可在PC 机上运行。本书代码的测试是在一台

5、Pentium-II计算机上完成的，操作系统是Microsoft Windows 95。实际上编译器生成的是DOS可执行文件，在Windows的DOS窗口中运行。只要您用的编译器可以产生实模式下的代码，移植工作就可以进行。如果开发环境不同，就只能麻烦您更改一下编译器和汇编器的设置了。9.01 目录和文件在安装C/OS-II的时候，安装程序将把和硬件相关的，针对Intel 80x86的代码安装到SOFTWAREuCOS-IIIx86L目录下。代码是80x86实模式，且在编译器大模式下编译的。移植部分的代码可在下述文件中找到：OS_CPU.H, OS_CPU_C.C, 和 OS_CPU_A.ASM

6、。9.02 INCLUDES.H文件INCLUDES.H 是主头文件，在所有后缀名为 .C的文件的开始都包含INCLUDES.H文件。使用INCLUDES.H的好处是所有的.C 文件都只包含一个头文件，程序简洁，可读性强。缺点是.C 文件可能会包含一些它并不需要的头文件，额外的增加编译时间。与优点相比，多一些编译时间还是可以接受的。用户可以改写INCLUDES.H文件，增加自己的头文件，但必须加在文件末尾。程序清单L9.1是为80x86编写的INCLUDES.H文件的内容。程序清单L 9.1 INCLUDES.H.#include #include #include #include #inc

7、lude #include #include #include “softwareucos-iiix86los_cpu.h“#include “os_cfg.h“#include “softwareblockspcsourcepc.h“#include “softwareucos-iisourceucos_ii.h“9.03 OS_CPU.H文件OS_CPU.H 文件中包含与处理器相关的常量，宏和结构体的定义。程序清单L9.2是为80x86编写的OS_CPU.H文件的内容。程序清单L 9.2 OS_CPU.H.#ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#el

8、se#define OS_CPU_EXT extern#endif/* 数据类型* (与编译器相关的内容)*/typedef unsigned char BOOLEAN;typedef unsigned char INT8U; /* 无符号8位数 (1)*/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 unsigned long INT32U; /* 无符号32 位数 */typede

9、f signed long INT32S; /* 带符号32位数 */typedef float FP32; /* 单精度浮点数 */typedef double FP64; /* 双精度浮点数 */typedef unsigned int OS_STK; /* 堆栈入口宽度为16位 */#define BYTE INT8S /* 以下定义的数据类型是为了与uC/OS V1.xx 兼容 */#define UBYTE INT8U /*在uC/OS-II中并没有实际的用处 */#define WORD INT16S #define UWORD INT16U#define LONG INT32S#

10、define ULONG INT32U/* Intel 80x86 (实模式, 大模式编译)*方法 #1: 用简单指令开关中断。* 注意，用方法1关闭中断，从调用函数返回后中断会重新打开！* 注意将文件OS_CPU_A.ASM中与OSIntCtxSw() 相关的常量从10改到8。* 方法 #2: 关中断前保存中断被关闭的状态.* 注意将文件OS_CPU_A.ASM中与OSIntCtxSw() 相关的常量从8改到10。* * */#define OS_CRITICAL_METHOD 2#if OS_CRITICAL_METHOD = 1#define OS_ENTER_CRITICAL() as

11、m CLI /* 关闭中断*/#define OS_EXIT_CRITICAL() asm STI /* 打开中断*/#endif#if OS_CRITICAL_METHOD = 2#define OS_ENTER_CRITICAL() asm PUSHF; CLI /* 关闭中断 */#define OS_EXIT_CRITICAL() asm POPF /* 打开中断 */#endif/* Intel 80x86 (实模式, 大模式编译)*/#define OS_STK_GROWTH 1 /* 堆栈由高地址向低地址增长 (3)*/#define uCOS 0x80 /* 中断向量0x80用

12、于任务切换 (4)*/#define OS_TASK_SW() asm INT uCOS (5)/* 全局变量*/OS_CPU_EXT INT8U OSTickDOSCtr; /* 为调用DOS时钟中断而定义的计数器*/(6)*/9.03.01 数据类型由于不同的处理器有不同的字长，C/OS-II 的移植需要重新定义一系列的数据结构。使用Borland C/C+编译器，整数（int）类型数据为 16位，长整形（long）为 32位。为了读者方便起见，尽管 C/OS-II中没有用到浮点类型的数，在源代码中笔者还是提供了浮点类型的定义。由于在 80x86实模式中堆栈都是按字进行操作的，没有字节操作

13、，所以 Borland C/C+编译器中堆栈数据类型 OS_STK声明为 16位。所有的堆栈都必须用 OS_STK声明。9.03.02 代码临界区与其他实时系统一样，C/OS-II 在进入系统临界代码区之前要关闭中断，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。Borland C/C+支持嵌入汇编语句，所以加入关闭/打开中断的语句是很方便的。C/OS-II 定义了两个宏用来关闭/打开中断：OS_ENTER_CRITICAL()和 OS_EXIT_CRITICAL()。此处，笔者为用户提供两种开关中断的方法，如下所述的方法 1和方法 2。作为一种测试，本书采用了

14、方法 1。当然，您可以自由决定采用那种方法。方法1第一种方法，也是最简单的方法，是直接将OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()定义为处理器的关闭（CLI）和打开（STI）中断指令。但这种方法有一个隐患，如果在关闭中断后调用 C/OS-II函数，当函数返回后，中断将被打开！严格意义上的关闭中断应该是执行OS_ENTER_CRITICAL()后中断始终是关闭的，方法1显然不满足要求。但方法1的最大优点是简单，执行速度快（只有一条指令），在此类操作频繁的时候更为突出。如果在任务中并不在意调用函数返回后是否被中断，推荐用户采用方法1。此时需要将OSIntCtxSw

15、()中的常量由10改到8（见文件OS_CPU_A.ASM)。方法2执行OS_ENTER_CRITICAL()的第二种方法是先将中断关闭的状态保存到堆栈中，然后关闭中断。与之对应的OS_EXIT_CRITICAL()的操作是从堆栈中恢复中断状态。采用此方法，不管用户是在中断关闭还是允许的情况下调用C/OS-中的函数，在调用过程中都不会改变中断状态。如果用户在中断关闭的情况下调用C/OS-函数，其实是延长了中断响应时间。虽然OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()可以保护代码的临界段。但如此用法要小心，特别是在调用OSTimeDly()一类函数之前关闭了中断。此

16、时任务将处于延时挂起状态，等待时钟中断，但此时时钟中断是禁止的！则系统可能会崩溃。很明显，所有的PEND调用都会涉及到这个问题，必须十分小心。所以建议用户调用C/OS-的系统函数之前打开中断。9.03.03 堆栈增长方向80x86 处理器的堆栈是由高地址向低地址方向增长的，所以常量OS_STK_GROWTH必须设置为1 程序清单L9.2(3)。9.03.04 OS_TASK_SW()在 C/OS-II中, 就绪任务的堆栈初始化应该模拟一次中断发生后的样子，堆栈中应该按进栈次序设置好各个寄存器的内容。OS_TASK_SW()函数模拟一次中断过程，在中断返回的时候进行任务切换。80x86提供了25

17、6个软中断源可供选用，中断服务程序（ ISR）（也称为例外处理过程）的入口点必须指向汇编函数OSCtxSw()（请参看文件OS_CPU_A.ASM ）。由于笔者是在PC机上测试代码的，本章的代码用到了中断号128（0x80），因为此中断号是提供给用户使用的程序清单L9.2(4)（PC和操作系统会占用一部分中断资源 译者注），类似的用户可用中断号还有0x4B 到 0x5B, 0x5D 到 0x66, 或者 0x68 到 0x6F。如果用户用的不是PC，而是其他嵌入式系统，如80186处理器，用户可能有更多的中断资源可供选用。9.03.05 时钟节拍的发生频率实时系统中时钟节拍的发生频率应该设置为

18、10到100 Hz。通常（但不是必须的）为了方便计算设为整数。不幸的是，在PC中，系统缺省的时钟节拍频率是 18.20648Hz，这对于我们的计算和设置都不方便。本章中，笔者将更改PC的时钟节拍频率到 200 Hz（间隔5ms）。一方面200 Hz近似18.20648Hz的11倍，可以经过11次延时再调用DOS中断；另一方面，在 DOS中，有些操作要求时钟间隔为54.93ms，我们设定的间隔5ms也可以满足要求。如果您的 PC机处理器是80386，时钟节拍最快也只能到200 Hz，而如果是Pentium II处理器，则达到200 Hz以上没有问题。在文件OS_CPU.H的末尾声明了一个8位变量

19、OSTickDOSCtr，将保存时钟节拍发生的次数，每发生11次，调用DOS的时钟节拍函数一次，从而实现与DOS时钟的同步。 OSTickDOSCtr是专门为PC环境而声明的，如果在其他非PC的系统中运行C/OS-II，就不用这种同步方法，直接设定时钟节拍发生频率就行了。9.04 OS_CPU_A.ASMC/OS-II 的移植需要用户改写OS_CPU_A.ASM中的四个函数：OSStartHighRdy()OSCtxSw()OSIntCtxSw()OSTickISR()9.04.01 OSStartHighRdy()该函数由SStart()函数调用，功能是运行优先级最高的就绪任务，在调用OSS

20、tart()之前，用户必须先调用OSInit()，并且已经至少创建了一个任务（请参考OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()函数）。OSStartHighRdy()默认指针OSTCBHighRdy指向优先级最高就绪任务的任务控制块（OS_TCB）（在这之前OSTCBHighRdy已由OSStart()设置好了）。图F9.3给出了由函数OSTaskCreate()或 OSTaskCreateExt()创建的任务的堆栈结构。很明显，OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr指向的是任务堆栈的顶端。函数OSStartHighRdy()的代码见程序清单L9.3。图F 9.

21、3 任务创立时的80x86堆栈结构.为了启动任务，OSStartHighRdy()从任务控制块（OS_TCB）程序清单L9.3(1)中找到指向堆栈的指针，然后运行POP DS 程序清单L9.3(2), POP ES 程序清单L9.3(3), POPA 程序清单L9.3(4), 和 IRET 程序清单L9.3(5)指令。此处笔者将任务堆栈指针保存在任务控制块的开头，这样使得堆栈指针的存取在汇编语言中更容易操作。当执行了IRET指令后，CPU会从(SS:SP)指向的堆栈中恢复各个寄存器的值并执行中断前的指令。SS:SP+4指向传递给任务的参数pdata。程序清单L 9.3 OSStartHighR

22、dy()._OSStartHighRdy PROC FARMOV AX, SEG _OSTCBHighRdy ; 载入 DSMOV DS, AX ;LES BX, DWORD PTR DS:_OSTCBHighRdy ; SS:SP = OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr (1)MOV SS, ES:BX+2 ;MOV SP, ES:BX+0 ;POP DS ; 恢复任务环境 (2)POP ES ; (3)POPA ; (4);IRET ; 运行任务 (5)_OSStartHighRdy ENDP9.04.02 OSCtxSw()OSCtxSw()是一个任务级的任务切换函数（在任

23、务中调用，区别于在中断程序中调用的OSIntCtxSw()）。在80x86系统上，它通过执行一条软中断的指令来实现任务切换。软中断向量指向OSCtxSw()。在C/OS-II中，如果任务调用了某个函数，而该函数的执行结果可能造成系统任务重新调度（例如试图唤醒了一个优先级更高的任务），则在函数的末尾会调用OSSched(),如果OSSched()判断需要进行任务调度，会找到该任务控制块 OS_TCB的地址，并将该地址拷贝到OSTCBHighRdy，然后通过宏OS_TASK_SW()执行软中断进行任务切换。注意到在此过程中，变量OSTCBCur始终包含一个指向当前运行任务OS_TCB 的指针。程序

24、清单L9.4为OSCtxSw()的代码。图F9.4是任务被挂起或被唤醒时的堆栈结构。在80x86处理器上，任务调用OS_TASK_SW()执行软中断指令后图F9.4/程序清单L9.4(1)，先向堆栈中压入返回地址（段地址和偏移量），然后是状态字寄存器SW。紧接着用PUSHA 图F9.4/程序清单L9.4(2), PUSH ES 图F9.4/程序清单L9.4(3),和 PUSH DS 图F9.4/程序清单L9.4(4)保存任务运行环境。最后用OSCtxSw()在任务OS_TCB中保存SS和SP寄存器。任务环境保存完后，将调用用户定义的对外接口函数OSTaskSwHook()程序清单L9.4(6)

25、。请注意，此时OSTCBCur指向当前任务OS_TCB，OSTCBHighRdy指向新任务的OS_TCB。在OSTaskSwHook()中，用户可以访问这两个任务的OS_TCB。如果不使用对外接口函数，请在头文件中把相应的开关选项关闭，加快任务切换的速度。程序清单L 9.4 OSCtxSw()._OSCtxSw PROC FAR (1);PUSHA ; 保存当前任务环境 (2)PUSH ES (3)PUSH DS (4);MOV AX, SEG _OSTCBCur ; 载入DSMOV DS, AX ;LES BX, DWORD PTR DS:_OSTCBCur ; OSTCBCur-OSTCB

26、StkPtr = SS:S(5)MOV ES:BX+2, SS MOV ES:BX+0, SP ;CALL FAR PTR _OSTaskSwHook (6);MOV AX, WORD PTR DS:_OSTCBHighRdy+2 ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy (7)MOV DX, WORD PTR DS:_OSTCBHighRdy MOV WORD PTR DS:_OSTCBCur+2, AX MOV WORD PTR DS:_OSTCBCur, DX ;MOV AL, BYTE PTR DS:_OSPrioHighRdy ; OSPrioCur = OSPrioHig

27、hRdy (8)MOV BYTE PTR DS:_OSPrioCur, AL ;LES BX, DWORD PTR DS:_OSTCBHighRdy ; SS:SP = OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr (9)MOV SS, ES:BX+2 MOV SP, ES:BX ;POP DS ; 载入新任务的CPU环境 (10)POP ES (11)POPA (12);IRET ; 返回新任务 (13);_OSCtxSw ENDP从对外接口函数OSTaskSwHook()返回后，由于任务的更替，变量OSTCBHighRdy被拷贝到OSTCBCur中程序清单L9.4(7)，同样，OSPrioHighRdy被拷贝到OSPrioCur中程序清单L9.4(8)。OSCtxSw()将载入新任务的CPU环境，首先从新任务OS_TCB中取出SS和SP寄存器的值图F9.4(6)/程序清单L9.4(9)，然后运行POP DS 图F9.4(7)/程序清单L9.4(10), POP ES 图F9.4(8)/程序清单L9.4(11), POPA 图F9.4(9)/程序清单L9.4(12)取出其他寄存器的值,最后用中断返回指令IRET 图F9.4(10)/ L9.4(13)完成任务切换。需要注意的是在运行OSCtxSw()和OSTaskSwHook()函数期间，中断是禁止的。