uCOS-II的移植与编译

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1 编译 嵌入式联合大实验报告 2011/1/3 三人行组 计 73 班顾荣辉 计 73 班卜鹏洋 计 74 班吉宇婷

2 目录 1. 实验概述 实验特点及困难描述 系统介绍 ucos-ii 系统简介 CoMPCert 编译器简介 Crosstool 交叉编译工具简介 SkyEye 嵌入式模拟器简介 ucos-ii 针对 CoMPCert 的修改 移植概述 平台相关的结构及 C 函数部分 OS_CPU.H 说明 OS_CPU_C.C 说明 汇编部分的移植说明 OSStartHighRdy 函数 OSCtxSw 函数说明 OSIntCtxSw 函数说明 OSTickISR 函数说明 在 SkyEye 上的运行 实验总结 实验概述 我们这次编译 嵌入式联合大实验, 主要是将 ucos-ii 嵌入式系统移植到 PowerPC 平台, 并用 CoMPCert 这个经过验证的编译器进行验证, 最后将 ucos-ii 系统在 SkyEye 的 PPC 平台模拟上进行运行 我们所做的主要工作如下 : 将 ucos-ii 分离成平台相关与平台无关的两部分 将平台无关部分, 使用 CoMPCert 进行编译 使用 PowerPC 汇编语言, 重写平台相关的部分 使用交叉编译工具 Crosstool 对整体进行编译与链接 配置 SkyEye 模拟器, 并验证其对 MPC-8641d 的支持 在 SkyEye 模拟器上面运行 ucos-ii 系统 2. 实验特点及困难描述 我们大实验的主要特点是涉及的领域相对较陌生, 且相对工作量大 与其他组的项目相比, 我们组的实验不仅仅是对一个系统进行修改以使其可以使用于某个编译器, 还需要对大量的系统代码进行重写和修改, 并且在这个基础上需要与多种基础工具打交道, 在这个过程中我们也为 SkyEye 平台的完善做出了一定的贡献 ucos-ii 移植到 PowerPC 平台的项目非 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 1

3 常少, 而进一步在 SkyEye 平台上运行, 是我们独创性的工作, 之前从未有人事先过 另外, 我们的实验重写了大量的 PowerPC 汇编代码, 这部分的说明文档十分匮乏, 所以也成了实验中的一个较大挑战, 最后移植的成功是全组同学共同努力的结果 详细来说, 这次大实验我们的项目主要的困难如下 : 对 CoMPCert 交叉编译工具以及 SkyEye 平台的不熟悉 对 PowerPC 汇编以及 MPC-8641d 体系结构的不熟悉 交叉编译工具支持有一定问题, 部分汇编指令不支持 SkyEye 平台存在问题, 对 PPC 支持的不完整 为了移植 ucos-ii, 我们重新组织了其文件结构, 导致很多编译问题的产生 出现问题很难定位, 无法确定问题发生在交叉工具 SkyEye 还是我们的代码上 3. 系统介绍 下面将对我们实验中使用到的主要的系统进行介绍 : 包括 ucos-ii SkyEye CoMPCert 以及交叉编译工具等, 从中也可以体现出我们所做的前期准备 3.1 ucos-ii 系统简介 ucos-ii 是一款开源实时嵌入式操作系统 是一个完整的 可移植 可固化 可裁剪的 占先式实时多任务内核 ucos-ii 绝大部分的代码是用 ANSI 的 C 语言编写的, 包含一小部 分汇编代码 其结构非常易于移植, 其结构图如下 : 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 2

4 从上面可以看出, 除了 OS-II Port 之外的部分, 都是平台无关的, 因此基本不需要 在移植的过程中进行改变 但是 OS_CPU.H OS_CPU_A.ASM 以及 OS_CPU_C.C 等 文件, 需要根据平台重新编写, 这部分的工作量也不可小视 3.2 CoMPCert 编译器简介 Compert 一是款可以对编译出的汇编程序进行验证的编译器, 这种验证可以保证输出的汇编代码的行为与源程序的行为一致 不过为了支持这种验证,CoMPCert 也对 C 语言进行了微量的裁剪, 不支持 C 语言中一些较为复杂或不是十分安全的特性 具体来讲,CoMPCert 支持的 C 语言特性如下所示 : 安装 CoMPCert 编译器时, 我们需要如下软件的支持 Coq 8.2pl1 或 Coq 8.3pl1 Caml functional language v3.10 or later 上述软件可以从 Ubuntu 软件中心获取, 或者从相关网站下载源码安装包 CoMPCert 编译器的详细的使用说明可以参见 CoMPCert 编译器官方网站和安装包中的使用文档 简单说来, 我们需要在命令行中键入 ccomp 来启动该编译器, 另外它的编译选项与我们熟知的 gcc 编译器的编译选项大致相同 由于本次实验的最终目的是实现 ucos-ii 在 powerpc 上的移植, 因此我们需要最终生成 powerpc 平台下的可执行文件 但由于实验机器是 x86 架构, 因此如果仅使用用 CoMPCert 编译器, 最多能生成 powerpc 的汇编, 而不能生成可执行文件 而后面的实验说明, 由 CoMPCert 编译器生成的 powerpc 汇编无法被交叉编译工具识别, 因此, 在本次实验中, 我们仅用 CoMPCert 编译器完成对 ucos-ii 的兼容性调整 至于移植部分, 我们完全交由交叉编译工具去完成 3.3 Crosstool 交叉编译工具简介 要想完成移植实验, 交叉编译工具是必不可少的 交叉编译工具主要用于在一台体系 结构为 A 的机器上生成体系机构 B 下的代码 在选择交叉编译工具时要注意, 选择的交叉 编译工具一定要与自己的目标机相匹配, 这样才能生成正确的代码 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 3

5 本次实验中使用的交叉编译工具 crosstool 来自康烁师兄, 这组 crosstool 主要适用于 powerpc 体系结构的处理器, 如 e500 的 MPC8560 e600 的 MPC8541d 等 它与 SkyEye 支持的 powerpc 平台匹配的非常好, 这也为我们的实验打下了坚实的基础 此外, 在这组 crosstool 中, 除了编译器 gcc 外, 还有汇编器 as 链接器 ld 及二进制代码查看工具 objdump 等, 如此丰富的工具也为我们的实验提供了十分便利的条件 3.4 SkyEye 嵌入式模拟器简介 SkyEye 是一款优秀的嵌入式模拟器, 它可以模拟多种嵌入式平台, 特别是它对 arm 平台的模拟更是十分出色 值得一提的是,SkyEye 最初是由清华大学大的陈渝老师开发的, 现在也主要由清华大学的师生维护 我们最终移植出来的 ucos-ii 需要在 SkyEye 平台下运行 SkyEye 可以从 Ubuntu 软件中心中直接获得, 但目前 Ubuntu 软件中心中的 SkyEye 版本较老, 不支持 powerpc 平台 所以为了完成这个实验, 我们需要从 sourceforge 网站上下载 SkyEye 最新版的源码安装包, 手动编译安装 不过值得注意的是,Ubuntu 软件中心最近应该会发布 SkyEye 的最新版, 到那时 SkyEye 的安装就会变得方便多了 安装 SkyEye 需要如下库的支持 libx11-dev libxpm-dev libncurses5-dev 需要注意的是, 如果你是在安装过程中发现某些库缺失, 那么在添加需要的库后你需要重新运行 configure 生成 makefile 文件 至于 SkyEye 的使用方法,SkyEye 的官网上有使用手册的下载 总体上来说, 在使用 SkyEye 时, 最重要事情的莫过于对 SkyEye 配置文件的编写 在本次实验中, 我们首先对 SkyEye 安装的正确性进行了测试 方法是运行 SkyEye 的标准测试程序 首先, 我们运行了 Arm 平台的 hello world 程序, 运行成功 然后我们又运行了 MPC 8560 平台下的 linux 程序, 同样运行成功 这说明我们已经成功安装了支持 powerpc 平台的 SkyEye 模拟器 然后我们又编写了一个在 SkyEye 模拟出的 powerpc 平台上显示字符的 hello world 程序, 以进一步掌握 SkyEye 的使用 我们最开始使用的是 MPC8560 平台, 但在调试过程中我们发现 MPC8560 在启动时就会开启虚拟内存, 不是很好控制, 因此, 我们就转到了 MPC8541d 平台 这种类型的处理器在启动时不会开启虚拟内存, 很适合我们的实验 又经过了很长时间的调试, 我们终于可以在 SkyEye 的终端上输出字符 这为我们后续实验的调试提供了很大的方便 在整个实验过程中, 我感觉 SkyEye 整体像一块可以自由配置的开发板, 可以根据不同的平台, 根据自己的需要自行对其进行配置 这极大地增大了 SkyEye 使用的灵活性, 但也增大了 SkyEye 的使用难度 不过好在一般平台的配置文件都可以在官方给出的 testsuites 中找到, 因此在使用 SkyEye 时, 一定要重视官方的 testsuites 另外, 在实验中我们也发现,SkyEye 对 ARM 的支持非常好, 但对 powerpc 的支持还处于初级阶段 建议在做关于 powerpc 的项目时, 还是要选择一些比较成熟的 powerpc 模拟器, 如 qemu,pearpc 等 但如果做关于 arm 的项目,SkyEye 确实是一个不错的选择 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 4

6 4. ucos-ii 针对 CoMPCert 的修改 这一部分实验比较简单, 这主要是由于 ucos-ii 的核心部分是以标准 C 语言写成的, 同时也没有使用太多的高级特性和不安全特性, 因此只需对 ucos-ii 的核心部分做很小的修改, 整个程序就可通过 CoMPCert 编译器编译成 powerpc 的汇编代码 具体说来, 需要修改的主要有以下两个方面 需要改变 violate 变量的自增 / 自减需要调整 case 和 default 的顺序 5. 移植概述 这次移植主要分为三个部分 : 平台相关的结构定义 C 语言处理函数以及汇编处理函数 主要添加于重写的文件如下 : OS_CPU.H: 定义编译器相关于 CPU 相关的一些数据类型与宏 OS_CPU_C.C: 定义了底层任务变换, 中断等处理函数 OS_CPU_A.A: 所有寄存器相关的汇编代码 CPU_A.A: 进出关键区中断状态保存的汇编实现 os_cpu_a.inc: 封装了存储寄存器与还原寄存器的函数, 其他所有汇编函数都会调用 移植的困难之前已经描述过了, 主要是我们多次更改了文件组织的结构, 多次重写了很多函数 另外, 因为交叉编译器的支持问题, 我们只能通过反编译 C 程序, 来观察交叉工具的支持特性, 然后修改 ucos-ii 的汇编部分 另外 PowerPC 汇编的标准也存在问题, 比如 MPC5XXX 系列在汇编部分需要.extern 外部定义的变量与函数, 但是 MPC8XXX 系列, 只需要.extern 变量 ( 或者不声明 ) 6. 平台相关的结构及 C 函数部分 下面主要对使用 C 语言实验的部分进行介绍, 主要是平台相关的结构与常量的定义以及 一些事件处理函数 由于代码量较大, 下面只展示主要的代码或者仅仅是示例作用 6.1 OS_CPU.H 说明 这个文件主要定义编译器相关于 CPU 相关的一些数据类型与宏 代码示例如下 : // 编译器相关 typedef unsigned char typedef unsigned int //CPU 相关 typedef unsigned int #define OS_STK_GROWTH 1 #define OS_ENTER_CRITICAL() INT8U; OS_STK; OS_CPU_SR; 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 5

7 #define OS_EXIT_CRITICAL() 进出关键区主要有三种实现方法, 分别的介绍如下 : 1) 直接用汇编语言开关中断这种方法最为简单, 但是容易崩溃掉, 并且无法回复在进入关键区之前的中断状态 2) 将进入关键区域时的中断状态保存在堆栈中这种方法比 1) 的方法更加鲁棒, 并且可以恢复之前的状态 但是这种方法速度较慢 3) 将进入关键区域时的中断状态保存在临时变量中这是我们使用的方法, 它综合了 1) 与 2) 的优点, 不仅可以恢复之前的状态, 也保证了执行的速度 主要通过宏实现 : 定义宏 cpu_sr = CPU_SR_Save() 然后在每次进入关键区域前定义局部变量 cpu_sr 即可 6.2 OS_CPU_C.C 说明 这个文件主要定义了底层任务变换, 中断等处理函数 所有定义的函数及其功能如下 : OSTaskStkInit() // 初始化任务的堆栈结构 OSTimeTickHook () // 每个时钟节拍都会被调用 OSTaskSwHook () // 任务切换后调用 OSTaskStatHook() // 每秒调用一次, 用于统计 OSTaskDelHook() // 任务删除后调用 OSTaskCreateHook() // 建立任务之后, 会调用 在此次实验中, 我们只实现了第一个函数 OSTaskStkInit(), 因为剩下的几个函数, 主要用于 ucos-ii 功能的扩展, 可以由以后的同学进行实现 下面将对 OSTaskStkInit() 这个函数进行介绍 OSTaskStkInit() 主要是初始化任务的堆栈结构,uCOS-II 的任务堆栈示意结构如下 : 这部分的代码非常长, 但是并不是很复杂, 主要是初始化堆栈, 多以此处不再展示 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 6

8 7. 汇编部分的移植说明 下面是汇编部分的代码说明, 因为大部分的代码非常复杂, 所以也与之前一样不会展示全部的代码 汇编代码中主要包含三个文件 :CPU_A.S 文件主要定义了中断状态的保存于恢复函数 :CPU_SR_Save(),CPU_SR_Restore(),CPU_SR_Rd();os_cpu_a.inc: 封装了存储寄存器与还原寄存器的函数 OS_CPU_A.S 文件主要定义了如下函数 : OSStartHighRdy(): 使就绪任务开始运行 OSCtxSw: 中断处理例程 OSIntCtxSw: 从 ISR 中执行切换功能 OSTickISR:ISR 节拍发生器的处理函数因为前两个文件主要是底层处理, 所以下面将会对 OS_CPU_A.S 中定义的四个文件进行介绍 这也是这次移植的主要实现部分 7.1 OSStartHighRdy 函数 这个函数主要是使就绪任务开始运行 函数处理的伪代码如下 : 根据上述伪代码, 我们实现的汇编代码及其注释如下 : /** Description : This function is called by OSStart() to start the highest priority task that was created by the application before calling OSStart(). * Arguments : none * Note(s) : 1) OSStartHighRdy() MUST: * a) Call OSTaskSwHook() then, * b) Set OSRunning to TRUE, * c) Switch to the highest priority task by loading the stack **/.align 2 OSStartHighRdy: pointer of the highest. priority task into the SP register and execute an rfi instruction. bl OSTaskSwHook //Call OSTaskSwHook, 无条件转移 li 0, 1 //Set OSRunning to 1 lis 11,OSRunning@ha 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 7

9 stb 0, // 存一个 byte //Get pointer to ready task 首地址 lis lwz // 存一个 word lis //Save as current task TCB ptr. stw //Get new stack pointer,r1 是堆栈寄存器 lwz 1, 0(11) epilogue rfi //Restore context, 储存寄存器 //run task, 中断返回 7.2 OSCtxSw 函数说明 OSCtxSw() 函数为中断处理例程, 主要是存储当前任务的状态, 其伪代码如下 : 根据上述伪代码, 我们实现的汇编代码及其注释如下 : /** TASK LEVEL CONTEXT SWITCH Description : This function is called when a task makes a higher priority task ready-to-run. Arguments : none Note(s) : 1) Upon entry, OSTCBCur points to the OS_TCB of the task to suspend OSTCBHighRdy points to the OS_TCB of the task to resume **/.align 2 OSCtxSw: prologue //Save context lis 11,OSTCBCur@ha //Get pointer to current TCB lwz 11,OSTCBCur@l(11) 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 8

10 //Save stack pointer in current TCB,r1 是堆栈寄存器 stw 1, 0(11) bl OSTaskSwHook //Call OSTaskSwHook lis //Get pointer to ready task TCB lwz //(r11)=ostcbhighrdy lis //Save as current task TCB ptr. stw //OSTCBCur=(r11) lis //Get High Ready Priority lbz //(r10)=ospriohighrdy lis //Save as Current Priority stb //OSPrioCur=(r10) lwz 1, 0(11) //Get new stack pointer from TCB epilogue rfi //Restore context //run task 7.3 OSIntCtxSw 函数说明 OSIntCtxSw() 函数是从从 ISR 中执行切换功能 其主体与 OSCtxSw() 一致, 唯一不同的 是在开始时需要进行栈的维护工作, 调整栈顶指针, 需要调整的结构如下 : 7.4 OSTickISR 函数说明 OSTickISR() 函数是 ISR 节拍发生器的处理函数, 其伪代码如下 : 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 9

11 根据上述伪代码, 我们实现的汇编代码及其注释如下 : /** SYSTEM TICK ISR Description : This function is the ISR to notify uc/os-ii that a system tick has occurred. **/.align 2 OSTickISR: prologue lis 11,OSIntNesting@ha //load OSIntNesting lbz 3, OSIntNesting@l(11) addi 0, 3, 1 stb 0, OSIntNesting@l(11) //OSIntNesting++ cmpwi 0, 1 //if (OSIntNesting!= 1)... bne OSTickISR_NotSaveSP //do not save the stackpointer lis 11,OSTCBCur@ha //Get pointer to current TCB lwz 11,OSTCBCur@l(11) stw 1, 0(11) //Save stack pointer in current TCB OSTickISR_NotSaveSP: lis 4, 0x0800 //load r4 with TSR[DIS] bit (0x ) mtspr TSR,4 //clear TSR[DIS] bit bl OSTimeTick //call TmrTick handler bl OSIntExit //call to decrement OSIntNesting epilogue //Restore context rfi //run task 8. 在 SkyEye 上的运行 这部分在之前已经有过介绍, 下面仅仅做简单的说明 值得一提的是, 在 SkyEye 上运 行的调试方法较为独特 一般检查到错误之后, 首先需要在 SkyEye 源码中搜索错误输出, 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 10

12 定位出具体出错原因, 然后需要在反汇编的文件中搜索 PC 值, 定位出错误代码 每一个错误的检查都异常艰难 使用这种方法我们成功找到多处普通错误, 并解决了 PowerPC64 位与 32 位的问题 ( 混合编译时, 如果 64 位与 32 位的汇编指令在一个文件中, 虽然可以编译, 但是编译出的指令有错误 ), 并成功解决了寄存器的映射问题 下面是 PowerPC 寄存器的示意图 : 比如在 PowerPC 汇编指令中, 所有的操作数都是数字, 比如 r0 则写成 0 需要根据指令的类型判断 0 代表的是立即数还是寄存器 但是在初期我们认为 SRR0 与 SRR1 应该也写成 0 与 1, 在出现严重错误后, 我们查阅了相关的 MPC 结构的书籍, 发现 SRR0 与 SRR1 分别对应 SPRG26 与 SPRG27, 因此应该以 26 与 27 进行表示 调试通过之后, 我们新建了一个简单任务, 即在 ucos-ii 上不停输出 helloworld 这句话, 以验证目前 ucos-ii 可以在 SkyEye 上正确运行 虽然任务简单, 但是仍可以反映出移植的 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 11

13 成果 汇编部分的代码如下 :.text.globl start.type start: addi 1,1,0x7000 bl main; 主程序的代码如下 : #include "ucos_ii.h" #include "uprintf.h" OS_STK Task1Stk[1024]; OS_STK Task2Stk[1024]; void TaskN(char *args) { for(;;) { uprintf(args); } } void main(void) { uprintf("ucos-ii begin\n\0"); OSInit(); uprintf("ucos-ii init success\n\0"); OSTaskCreate(TaskN,"this is task1\n\0",&task1stk[0],25); uprintf("ucos-ii task create success\n\0"); OSStart(); uprintf("ucos-ii start success\n\0"); } 最后, 我们的 ucos-ii 可以正确地在 SkyEye 对 MPC8641d 的模拟上运行, 并可以循环 输出 helloworld 并且在大实验展示的过程中, 现场演示了我们的程序 9. 实验总结 这次实验, 我们成功地移植了嵌入式系统 ucos-ii, 用经过验证的编译器 Compcert 进行了编译, 尝试了交叉编译的工具, 并且在由清华大学开发的嵌入式系统模拟器 SkyEye 进行了运行 这些工作涉及到了嵌入式系统以及编译原理的多个方面, 是一次非常难得的体验与经历 另外, 由于我们这次实验很多地方都是有创新性的 独创性的 虽然大大增加了实验的难度和我们三个人的负担, 但是对我们是一次非常好的锻炼 引用 SkyEye 的维护者之一袁铮师兄的话 : 移植 ucos-ii 到 PowerPC 平台, 并在 SkyEye 上运行, 是对 SkyEye 的很好三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 12

14 的加强和验证 在这里非常感谢感谢康烁 袁铮师兄对我们的提供的莫大帮助 我们曾多次通过邮件以及面谈的方式, 讨论了 SkyEye 的使用与加强的细节 另外非常感谢董渊老师, 陈渝老师, 陶品老师和多位助教对我们实验的帮助和鼓励 三人行组 : 顾荣辉卜鹏洋吉宇婷 13