引言

Nucleus PLUS是美國(guó)ATI 公司為實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)內(nèi)核。約95%的Nucleus PLUS代碼用ANSI C語(yǔ)言編寫，因此，非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的微處理器，如X86、68K、PowerPC、MIPS、ARM等。經(jīng)過(guò)截減編譯后，Nucleus PLUS 核心代碼區(qū)一般不超過(guò)20KB大小。 同時(shí)提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、圖形界面Grafix、文件系統(tǒng)File等模塊。還有一個(gè)特點(diǎn)就是免費(fèi)提供源代碼，有利于節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

S3C2410A是三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核高性能低功耗16/32位RISC微控制器，內(nèi)部集成了豐富的系統(tǒng)外圍控制器。配合Nucleus PLUS操作系統(tǒng)可方便地開(kāi)發(fā)出適于手持設(shè)備和各種低功耗產(chǎn)品的應(yīng)用程序，加快新產(chǎn)品的上市時(shí)間。

Nucleus PLUS啟動(dòng)過(guò)程

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核Nucleus PLUS的啟動(dòng)過(guò)程如圖1所示。其中板級(jí)初始化(INT_Initialize)主要是完成中斷向量表、系統(tǒng)堆棧、時(shí)鐘中斷等基本硬件初始化;操作系統(tǒng)初始化(INC_Initialize)主要是完成郵箱、隊(duì)列、管道、信號(hào)量、事件集等軟件組件初始化;應(yīng)用程序初始化 (Application_Initialize (first_available_memory))主要是完成用戶定義的應(yīng)用程序初始化，如創(chuàng)建內(nèi)存池，創(chuàng)建任務(wù)、創(chuàng)建信號(hào)量、創(chuàng)建中斷、編寫用戶應(yīng)用程序等。移植的過(guò)程中，需要修改的是板級(jí)初始化(INT_Initialize)這部分內(nèi)容，它是由ARM匯編語(yǔ)言編寫的，下面詳細(xì)敘述。

圖1 Nucleus PLUS 啟動(dòng)過(guò)程

Nucleus PLUS移植過(guò)程

INT-Reset子程序修改

INT_Reset 是Nucleus PLUS啟動(dòng)時(shí)的程序入口，因?yàn)楦鶕?jù)ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)硬件上電或復(fù)位后，ARM所執(zhí)行的第一條指令在地址0x00000000，即ARM 的復(fù)位異常(Reset)向量地址，所以在這個(gè)地址要放置一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令：B INT_Reset 。

在INT_Reset這個(gè)子程序中放置的是硬件初始化程序，完成兩個(gè)功能：

1. 改變ARM工作模式為管理模式(Supervisor Mode)，管理模式是ARM提供給操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式;

2. 屏蔽FIQ和IRQ中斷，因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)初始化的過(guò)程中，不能被中斷打斷，只有在中斷服務(wù)子程序初始化結(jié)束后，才可以打開(kāi)中斷，進(jìn)而響應(yīng)中斷。

INT_Reset

MRS R1,CPSR

BIC R1,R1,#MODE_MASK

ORR R1,R1,#SUP_MODE

ORR R1,R1,#LOCKOUT

MSR CPSR_cxsf,R1

建立異常向量表和中斷向量表

根據(jù)ARM的體系結(jié)構(gòu)，ARM有7種類型的異常(Exception)，每種異常都有各自入口地址，即異常向量表(Exception Vectors)。異常向量表放置在從0X00000000地址開(kāi)始，連續(xù)32字節(jié)的空間內(nèi)。S3C2410A共有56個(gè)中斷源，但有些中斷源共用一個(gè)中斷向量，所以只要求創(chuàng)建包含32個(gè)中斷源的中斷向量表。

INT_Vectors

LDR PC, INT_Reset_Addr

LDR PC, INT_Undef_Addr

LDR PC, INT_Software_Addr

LDR PC, INT_Prefetch_Addr

LDR PC, INT_Data_Addr

LDR PC, INT_Reserved_Addr

LDR PC, INT_IRQ_Addr

LDR PC, INT_FIQ_Addr

配置存儲(chǔ)器控制器和MMU

MMU(Memory Manage Unit)是存儲(chǔ)器管理單元的縮寫，用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。它是ARM的一部分，本身有少量存儲(chǔ)空間放置從虛擬地址到物理地址的匹配表，即轉(zhuǎn)換旁置緩沖區(qū) (TLBs-Translation Lookaside Buffers)。MMU實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能，將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址和控制存儲(chǔ)器的存取使能。

通過(guò)配置S3C2410A的存儲(chǔ)器控制器來(lái)初始化S3C2410A目標(biāo)板的外圍存儲(chǔ)器。主要是設(shè)置存儲(chǔ)器類型、總線寬度、信息，重點(diǎn)是對(duì)SDRAM進(jìn)行設(shè)置，如列地址數(shù)、信號(hào)線時(shí)序等。

堆棧初始化

C 和ARM匯編源文件經(jīng)過(guò)ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2編譯鏈接后，生成的映像(Image)文件包含RO(只讀代碼、數(shù)據(jù)段)、RW(可讀寫數(shù)據(jù)段)和 ZI(將要初始化為0的段)三個(gè)輸出段。當(dāng)映像文件加載到flash中的時(shí)，RO段和RW段在Flash中的位置見(jiàn)圖2(a)，其中|Image$$RO$$Base|是RO段的開(kāi)始地址，也是包含RO輸出段的加載和執(zhí)行地址，可以在ARM Linker中設(shè)置，即-ro-base的值，從flash啟動(dòng)時(shí)，這個(gè)值設(shè)置為0x00000000，ZI段不需要加載到flash中。當(dāng)硬件電路復(fù)位后，映像文件中的RW段需要從Flash中拷貝到SDRAM內(nèi)，同時(shí)要將ZI輸出段的內(nèi)容需要用“0”進(jìn)行初始化，此時(shí)輸出段在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的位置見(jiàn)圖 2(b)。|Image$$RW$$Base|是包含RW輸出段的執(zhí)行地址，這個(gè)地址值也需要在ARM Linker中設(shè)置，即-rw-base的值，一般將-rw-base的值設(shè)置到SDRAM的地址范圍內(nèi)，在這里設(shè)置為SDRAM的首地址 0x30000000。在Nucleus PLUS移植的過(guò)程中要編寫代碼，完成以上操作過(guò)程。

圖2 加載和執(zhí)行時(shí)存儲(chǔ)區(qū)分布

ARM有7種運(yùn)行模式分別為：用戶模式(usr)、快速中斷模式(fiq)、外部中斷模式(irq)、管理模式(svc)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)中止模式 (abt)、系統(tǒng)模式(sys)和未定義指令中止模式(und)。在堆棧初始化時(shí)，應(yīng)對(duì)S3C2410A的每種運(yùn)行模式分別設(shè)置堆棧，一般堆棧的大小可以設(shè)置為4KB。另外還要對(duì)HISR(High-Level Interrupt Service Routines)堆棧的起始地址、大小和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置，它的堆棧大小可設(shè)為2KB。

中斷初始化

1. 將Nucleus PLUS異常中斷向量表從ROM中復(fù)制到RAM中，即：將地址為0x00000000的異常中斷向量表復(fù)制到地址0x33FFFF00處，這樣在中斷響應(yīng)的過(guò)程中就可以從RAM中提取異常中斷向量表，提高中斷的響應(yīng)速度;

2. 關(guān)閉看門狗時(shí)鐘，創(chuàng)建所有IRQ中斷的中斷向量表;

3. 清除所有中斷的判斷位。

系統(tǒng)時(shí)鐘中斷初始化

因?yàn)門imer4是用來(lái)作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)時(shí)鐘的，所以在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植的過(guò)程中，一定要對(duì)它的時(shí)鐘中斷進(jìn)行配置，配置過(guò)程如下：

1. 設(shè)置S3C2410A的內(nèi)部定時(shí)器Fimert定時(shí)器的中斷周期為10ms;

2. 建立Timer4的中斷向量，用Timer4時(shí)鐘作為Nucleus PLUS的系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘;

3. 初始化S3C2410A的MPLL控制寄存器MPLLCON，將S3C2410A的主時(shí)鐘FCLK設(shè)置為266MHz;

4.設(shè)置分頻器寄存器CLKDIVN使HCLK = FCLK/2，PCLK = HCLK/2。

設(shè)置系統(tǒng)可用存儲(chǔ)區(qū)的首地址

在板級(jí)初始化程序(INT_ Initialize)結(jié)束后，系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)用操作系統(tǒng)初始化程序(INC_Initialize)。這時(shí)需要設(shè)置可供用戶使用的存儲(chǔ)器首地址 first_available_memory，令first_available_memory= |Image$$bss$$ZI$$Limit|，其中|Image$$bss$$ZI$$Limit|是ARM鏈接器生成的可執(zhí)行映像文件中初始化為0 段(ZI段)的終止地址。修改后調(diào)用程序INC_Initialize(VOID *first_available_memory)，即進(jìn)入操作系統(tǒng)初始化。Nucleus PLUS的移植工作也宣告結(jié)束。

結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了Nucleus PLUS在S3C2410A上的移植過(guò)程和方法，移植后的代碼在深圳優(yōu)龍科技有限公司的FS2410開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行正常，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信和中斷響應(yīng)。因?yàn)橐浦策^(guò)程是針對(duì)特定的硬件環(huán)境的，所以移植中要采用ARM匯編語(yǔ)言，這是嵌入式操作系統(tǒng)移植的難點(diǎn)。移植的重點(diǎn)是建立中斷向量表、創(chuàng)建操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘中斷和設(shè)置系統(tǒng)堆棧。本文論述的移植方法對(duì)其他嵌入式操作系統(tǒng)在ARM微處理器上的移植過(guò)程也有一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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