μC/OS-II 移植笔记 1（FreeScale 68HCS12 核单片机）

最近闲暇下来，花了些时间研究了如何将 μC/OS-II 移植到 FreeScale 68HCS12 内核的单片机。其实这个工作前年做过一次，当时是在网上找的相近的移植代码（68HC11核，Bank Memory Model，METROWERKS 编译器）自己做了些修改，内核已经跑起来了，但是在跑串口测试程序（ESBB书上的那个串口模块）时，程序运行一段时间就会跑飞。当时调试了许久也没有找到问题。这次就是接着上次的工作继续深入的往下做，消除错误。其实前年调试时就已经隐约的想到了错误可能的地方，只是当年对 68HCS12 内核还有 CodeWarrior IDE 附带的 C 编译器、汇编器了解的有限，尤其是对编译器的 C Calling Convention、还有 C 编译器对代码中内嵌汇编的处理几乎完全不知，这种水平下调试不出错误也是理所当然的。
这次由于有了以前的基础，这次着眼点直接就放在了编译器对我写的移植代码的处理上，在汇编语言的层面上对移植代码进行了剖析，很快（其实也不算快了，花了我整整 2 天时间）就找到了问题所在，并给出了一个初步的解决方案。现在的移植代码谈不上完美，但至少是正确的。
1. μC/OS-II 版本的选择
这次的移植代码主要针对 μC/OS-II V2.52，2.52 之后的版本对移植代码的要求大体相同，因此这个移植代码稍加修改就应该能在新版本上运行，并且我相信修改的难度应该很小。 μC/OS-III还没有研究过，因此移植代码是否适合 μC/OS-III 我就不得而知了。
之所以选择μC/OS-II V2.52这个版本主要基于两个方面的考虑。首先，Jean J.Labrosse写的那本大名鼎鼎的《MicroC/OS-II The Real-Time Kernel Second Edition》就是根据这个版本写成的，移植过程中遇到问题至少可以翻翻书。另外，这个版本确实也称得上经典，每一行代码都经过经得起推敲。因此，我选择了这个版本。
2. 移植代码详解
μC/OS-II 移植主要需要重写 3 个代码文件：
OS_CPU.H
OS_CPU_C.C
OS_CPU_A.S
下面就对移植代码进行详细的说明。开发环境采用：CodeWarrior Development Studio V5.9.0
2.1 OS_CPU.H
OS_CPU.H 中的代码主要有两部分，第一部分 typedef 了一系列的基本数据类型和几个宏定义。具体代码如下：

基本数据类型的长度查编译器手册都有详细的说明。
有点难度的是堆栈和状态寄存器，需要查68HCS12内核手册，虽然68HCS12内核是16位的内核，但是堆栈是以字节为单位的，所以有如下代码：
typedef unsigned char OS_STK;

68HCS12内核的状态寄存器称为 CCR，也是8位了，因此：
typedef unsigned char OS_CPU_SR;

OS_CPU.H 中还包含对临界区的处理：

上述代码中虽然列出了三种对临界区的不同处理方法，但实际只有第三种是正确的。
第一种方法直接开关中断，这种方法的问题在于退出临界区后中断就被强制性的打开了，及时在进入临界区前中断是关着的。在任务级代码中这样做没有太大的问题，因为在执行任务代码是中断基本都是打开的，中断几乎只有在临界区中才是关闭的。但是在中断处理函数中情况就不是这样的了，68HCS12 内核在进入中断处理函数后中断是关闭的，中断处理函数中要调用 OSIntExit()，OSIntExit()中是有临界区的，一退出临界区就会导致中断打开，CPU 处理新的中断，也就是形成所谓的中断嵌套。而中断嵌套是我们不希望发生的，因为允许中断嵌套并不能显著提升系统的性能，还会导致各个任务的堆栈使用量加大，，对于内存紧张的单片机来说，绝对弊大于利。因此，在我的移植代码中不允许中断嵌套，也就否掉了第一种临界区的处理方式。
第二种方法看似很好，进入临界区时先将 CCR 的值存入堆栈然后关闭中断，退出临界区时直接将堆栈的内容恢复到 CCR。看似很完美的解决方法，实际上却行不通。C 编译器要利用堆栈指针的地址来寻址局部变量，而汇编语句 pshc 却改变了堆栈指针的指向，导致对局部变量的访问产生了错位。
要想说明这个问题还要从 C 编译器对局部变量的处理方式说起，我使用的 C 编译器将局部变量放到堆栈上，利用堆栈指针（SP）间接寻址局部变量。如果堆栈指针指向的地址变了，访问局部变量时就要出问题。下面用个例子来说明：

volatile char a = 1;
volatile char b = 2;

__asm pshc; __asm sei;

a = 3;
b = 4;

__asm pulc;

将其转化为汇编代码后如下：

PSHD
volatile char a = 1;
LDAB #1
STAB 1,SP
volatile char b = 2;
LSLB
STAB 0,SP

__asm pshc; __asm sei;
PSHC
SEI
a = 3;
INCB
STAB 1,SP
b = 4;
INCB
STAB 0,SP
__asm pulc;
PULC

PSHD 指令调整堆栈指针，在堆栈上空出 2 个字节存放 a 和 b 的值。a 的地址为[SP+1]，b 的地址为[SP]，然后给 a 和 b 赋初值。PSHC 首先调整堆栈指针（SP=SP-1），然后将 CCR 寄存器的值存入堆栈，这里需要注意的是68HCS12核的堆栈是倒生堆栈，实栈顶（也就是说SP指向的是有数据的地方，而不是个空位），而老的68HC11内核是虚栈顶的（SP指向的是个空位）。这时 [SP] 中存的是 CCR 的值， [SP+1]指向 b，[SP+2]指向a。因此， STAB, 0,SP 将原本存的 CCR 的值改成了 4， b 的值却没有任何改变，说明这款编译器无法感知堆栈的变动生成正确的代码。因此第二种方法会导致错误的结果，不能采用。
这里多说两句，熟悉 x86 体系的读者可以将 68HCS12 核与 x86 内核做个对比。这两个核都是冯诺依曼结构体系，复杂指令集，从某种意义上可以说这两种内核具有某种神似。在 x86 内核上大多数编译器也是将局部变量存放到堆栈上，但是不同的是访问局部变量时用的是 BSP 寄存器而不直接使用 ESP 寄存器，因此在 x86 内核上用第二种方法处理临界区是没有问题的，并且可以认为是一种相当好的方式。从这也可以看出来寄存器多一些确实是有好处的。

第三种方式是实现两个函数 OSCPUSaveSR 和 OSCPURestoreSR。虽然这样会多些函数调用产生的额外开销，却没有了前两种方法的问题。这两个函数具体的实现可以放到OS_CPU_A.S 中，也可以在 OS_CPU_C.C。

如果用 C 语言实现，可以如下：

想要理解上面代码，除了要知道汇编指令 tfr 和 sei 的含义。还要知道所谓的 C 语言调用约定，对于当前代码来说需要知道 C 语言编译器使用何种方式传递函数的参数和返回值。 这些知识在 编译器附带的文档《S12(X)Build Tools Reference Manual》可以查到。我这里只介绍直接相关的几条，其余的请自己查阅手册。

我所采用的编译器对参数固定的 C 函数采用 PASCAL 调用约定，参数采用堆栈传递，传递顺序为从左到右依次入栈，如果最后一个参数小于 4 个字节则最后一个参数采用寄存器传递。1 字节的参数存放到寄存器 B 中，OSCPURestoreSR 就是这种情况。函数的返回值如果也是 1 个字节，那么也通过 寄存器 B 传出来，OSCPUSaveSR 就是这种情况。关于这两个函数我就说这么多了。

如果想直接写汇编代码的话也很简单，下面是例子：

xdef OSCPUSaveSR
xdef OSCPURestoreSR
OSCPUSaveSR:
tfr ccr,b ; Its assumed that 8-bit return value is in register B
sei ; Disable interrupts
rts ; Return to caller with D containing the previous CCR

OSCPURestoreSR:
tfr b, ccr ; B contains the CCR value to restore, move to CCR
rts

和上面 C 函数的代码几乎一样，没什么可介绍的了。

另外多说一句，大家可能觉得上面的代码可以直接写成内联汇编语句，就不用函数调用了。比如下面的代码：

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm ("tpa; staa cpu_sr; sei")
#define OS_EXIT_CRITICAL() asm ("ldaa cpu_sr; tap")

上面的代码看似很好，进入临界区时将 CCR 的值放到 寄存器 a 中，然后存到 cpu_sr 中，再关中断。退出临界区是恢复 CCR。问题在于 CodeWarrior Development Studio 中带的 C 编译器太弱智了，无法感知 寄存器 a 被改变了，更无法添加相应的处理代码。自己保存寄存器 a 的内容又很麻烦，不能直接放到堆栈中，否则会影响局部变量的访问，只能存在 C 编译器可以感知的地方。比如用下面的方法：
char tmp_a;
asm ("staa tmp_a, tpa; staa cpu_sr; sei; ldaa tmp_a")
asm ("staa tmp_a, tpa; ldaa cpu_sr; tap; ldaa tmp_a")

这样的开销也不小，不如直接写两个函数方便。

OS_CPU.H 还有几行代码：

都比较简单，OS_TASK_SW()将操作系统使用的中断指定为 SWI 中断，也就是 software interrupt。
堆栈生长方向为向下生长。

至此，OS_CPU.H 就写完了。