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[STM32F4] 【STM32F469I试用】3. uC/OS-II移植及FPU开启

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 楼主| zhangbin_abc 发表于 2015-12-27 17:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
uC/OS-II, STM32F4, 移植, TE, TI
本帖最后由 zhangbin_abc 于 2015-12-27 17:11 编辑

     STM32F469具有cortex-M4架构，而cortex-M4相对于cortex-M3一个显著的不同就是多了一个浮点单元FPU，其他的二者差不多都一样，所以如果你以前在STM32的cortex-M3架构的微控制器上移植过uC/OS-II操作系统，而你的系统中又不开启FPU的话，以前的程序应该可以直接在STM32F469就能跑了。但是FPU对于浮点计算具有很大的优势，如果要开启该功能单元，则需要在移植的时候进行一些文件的修改。             下面将在上一篇建立的工程模板的基础上，结合FPU详细说明uC/OS-II STM32F469上的移植。

一、软件准备
uC/OS-II的源码可以在官网上自行下载。

二、工程文件组织
在上一篇的工程模板中，将uC/OS-II的源码加入其中，组织结构如图所示。在uC/OS-II的Source文件夹中的os_dbg_r.c和ucos_ii.c文件不要添加到工程中，否则编译链接时会提示变量重复定义。
zuzhi.jpg

三、与移植相关的文件的修改
1、时钟节拍修改
1)初始化Systick: 在这里使用STM32的库函数进行实现，因此将os_cpu_c.c文件中的void  OS_CPU_SysTickInit (INT32U  cnts)函数注释掉，而采用core_cm4.h文件中的__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)函数，实现如下：
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  1. static void OS_CPU_SysTickInit(void)
    

  2. {
    

  3.              SysTick_Config(SysCoreClock/OS_TICKS_PER_SEC);
    

  4. }

这里SysCoreClock是系统的内核时钟，即180MHz，OS_TICKS_PER_SEC是每秒uC/OS-ii的时钟节拍数，在os_cfg.h文件中定义，这里设置为1000，即1ms产生一次节拍中断。
2）Systick中断服务程序的修改： 首先，在TM32F469的stm32f4xx_it.c和uC/OS-II的os_cpu_c.c文件中均定义了void SysTick_Handler (void) 函数，造成重复定义，所以这里将os_cpu_c.c文件中的相关函数注释掉，而在stm32f4xx_it.c文件中进行实现：
复制
  1. void SysTick_Handler(void)
    

  2. {
    

  3.                 static uint32_t i;
    

  4.           OSIntEnter();                /* enter the interrupt, */
    

  5.                 OSTimeTick();
    

  6.                 OSIntExit();
    

  7.         
    

  8.                 i++;
    

  9.                 if(i==1000){
    

  10.                         LED1_ON();
    

  11.                 }
    

  12.                 else if(i==2000){
    

  13.                         LED1_OFF();
    

  14.                         i = 0;
    

  15.                 }
    

  16. }
在这里我添加了一个LED的闪烁代码，指示系统在正常运行。
2、os_cpu_c.c文件中系统堆栈初始化函数的修改
      由于在uC/OS-II任务的上下文切换时需要进入PendSV异常，这就需要对一些寄存器进行保存。
      当使用FPU时，将涉及到S0~S31寄存器组。在系统进入异常处理服务时，FPSCR、S0~S15、xPSR、PC、LR、R12、R3~R0这几个寄存器是被自动入栈的。入栈顺序如下图所示。


stack.jpg

剩余的S16~S31和R4~R11寄存器需要手动入栈。根据以上情况，对OSTaskStkInit函数修改如下：
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  1. OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)
    

  2. {
    

  3.     OS_STK *stk;
    


  4. 


  5. 

  6.     (void)opt;                                   /* 'opt' is not used, prevent warning                 */
    

  7.     stk       = ptos + 1;                            /* Load stack pointer                                 */
    

  8.                 stk                                =        (OS_STK *)((OS_STK)(stk)&0xFFFFFFF8u);
    

  9.         
    

  10. #if (__FPU_PRESENT==1)&&(__FPU_USED==1)        
    

  11.         *(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //No Name Register  
    

  12.         *(--stk) = (INT32U)0x00001000L; //FPSCR
    

  13.         *(--stk) = (INT32U)0x00000015L; //s15
    

  14.         *(--stk) = (INT32U)0x00000014L; //s14
    

  15.         *(--stk) = (INT32U)0x00000013L; //s13
    

  16.         *(--stk) = (INT32U)0x00000012L; //s12
    

  17.         *(--stk) = (INT32U)0x00000011L; //s11
    

  18.         *(--stk) = (INT32U)0x00000010L; //s10
    

  19.         *(--stk) = (INT32U)0x00000009L; //s9
    

  20.         *(--stk) = (INT32U)0x00000008L; //s8
    

  21.         *(--stk) = (INT32U)0x00000007L; //s7
    

  22.         *(--stk) = (INT32U)0x00000006L; //s6
    

  23.         *(--stk) = (INT32U)0x00000005L; //s5
    

  24.         *(--stk) = (INT32U)0x00000004L; //s4
    

  25.         *(--stk) = (INT32U)0x00000003L; //s3
    

  26.         *(--stk) = (INT32U)0x00000002L; //s2
    

  27.         *(--stk) = (INT32U)0x00000001L; //s1
    

  28.         *(--stk) = (INT32U)0x00000000L; //s0
    

  29. #endif     
    


  30. 

  31.                                             /* Registers stacked as if auto-saved on exception    */
    

  32.     *(--stk)    = (INT32U)0x01000000uL;            /* xPSR                                               */
    

  33.     *(--stk)  = (INT32U)task;                    /* Entry Point                                        */
    

  34.     *(--stk)  = (INT32U)OS_TaskReturn;           /* R14 (LR)                                           */
    

  35.     *(--stk)  = (INT32U)0x12121212uL;            /* R12                                                */
    

  36.     *(--stk)  = (INT32U)0x03030303uL;            /* R3                                                 */
    

  37.     *(--stk)  = (INT32U)0x02020202uL;            /* R2                                                 */
    

  38.     *(--stk)  = (INT32U)0x01010101uL;            /* R1                                                 */
    

  39.     *(--stk)  = (INT32U)p_arg;                   /* R0 : argument                                      */
    


  40. 

  41. #if (__FPU_PRESENT==1)&&(__FPU_USED==1)        
    

  42.         *(--stk) = (INT32U)0x00000031L; //s31
    

  43.         *(--stk) = (INT32U)0x00000030L; //s30
    

  44.         *(--stk) = (INT32U)0x00000029L; //s29
    

  45.         *(--stk) = (INT32U)0x00000028L; //s28
    

  46.         *(--stk) = (INT32U)0x00000027L; //s27
    

  47.         *(--stk) = (INT32U)0x00000026L; //s26        
    

  48.         *(--stk) = (INT32U)0x00000025L; //s25
    

  49.         *(--stk) = (INT32U)0x00000024L; //s24
    

  50.         *(--stk) = (INT32U)0x00000023L; //s23
    

  51.         *(--stk) = (INT32U)0x00000022L; //s22
    

  52.         *(--stk) = (INT32U)0x00000021L; //s21
    

  53.         *(--stk) = (INT32U)0x00000020L; //s20
    

  54.         *(--stk) = (INT32U)0x00000019L; //s19
    

  55.         *(--stk) = (INT32U)0x00000018L; //s18
    

  56.         *(--stk) = (INT32U)0x00000017L; //s17
    

  57.         *(--stk) = (INT32U)0x00000016L; //s16
    

  58. #endif
    


  59. 

  60.                                                  /* Remaining registers saved on process stack         */
    

  61.     *(--stk)  = (INT32U)0x11111111uL;            /* R11                                                */
    

  62.     *(--stk)  = (INT32U)0x10101010uL;            /* R10                                                */
    

  63.     *(--stk)  = (INT32U)0x09090909uL;            /* R9                                                 */
    

  64.     *(--stk)  = (INT32U)0x08080808uL;            /* R8                                                 */
    

  65.     *(--stk)  = (INT32U)0x07070707uL;            /* R7                                                 */
    

  66.     *(--stk)  = (INT32U)0x06060606uL;            /* R6                                                 */
    

  67.     *(--stk)  = (INT32U)0x05050505uL;            /* R5                                                 */
    

  68.     *(--stk)  = (INT32U)0x04040404uL;            /* R4                                                 */
    


  69. 

  70.                 *(--stk)        =        (INT32U)0xFFFFFFFDUL;
    


  71. 

  72.     return (stk);
    

  73. }
这里需要注意的是在程序的结尾处一定要添加  *(--stk)   =   (INT32U)0xFFFFFFFDUL; 这个是对EXC_RETURN特殊寄存器进行堆栈初始化。
3、os_cpu_a.asm文件修改
      在该文件中主要是对PendSV异常中断服务程序进行修改。由于在STM32F469的启动汇编文件startup_stm32f469_479xx.s中也有相应函数的声明，所以在这两个文件中的文件名应该修改为相同，否则编译会出错，这里统一修改为PendSV_Handler。在PendSV_Handler函数中主要实现内容如下：
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  1. PendSV_Handler
    

  2.     CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    

  3.     MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer 
    

  4.     CBZ     R0, PendSV_Handler_Nosave                                    ; Skip register save the first time
    

  5.         
    

  6.         ;Is the task using the FPU context? If so, push high vfp registers.
    

  7.         TST         R14, #0x10
    

  8.         IT                 EQ
    

  9.         VSTMDBEQ R0!, {S16-S31} 
    

  10.         
    

  11.         MOV                R3, R14
    

  12.         STMDB        R0!, {R3-R11}
    

  13.         
    

  14.     ;SUBS    R0, R0, #0x20                                       ; Save remaining regs r4-11 on process stack
    

  15.     ;STM     R0, {R4-R11}
    


  16. 

  17.     LDR     R1, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    

  18.     LDR     R1, [R1]
    

  19.     STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out
这里需要注意第7~12行的代码，这是在Cortex-m4中开启FPU所特有的，具体分析如下：
1.jpg
上面的意思是说进入异常服务程序后，LR寄存器（即R14寄存器）的值会被自动更新到EXC_RETURN寄存器中，该寄存器的具体位段描述如下：
2.jpg

其中bit4的值决定了我们要将哪些寄存器进行入栈处理，如果为0，说明使用了FPU，需要对S16~S31进行入栈，然后将R4~R11入栈，与此同时，还需将EXC_RETURN入栈，这是与堆栈初始化函数中最后一句相对应的。
而PendSV_Handler_Nosave对应寄存器出栈处理，内容如下：
复制
  1. PendSV_Handler_Nosave
    

  2.     PUSH    {R14}                                               ; Save LR exc_return value
    

  3.     LDR     R0, =OSTaskSwHook                                   ; OSTaskSwHook();
    

  4.     BLX     R0
    

  5.     POP     {R14} 
    


  6. 

  7.     LDR     R0, =OSPrioCur                                      ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
    

  8.     LDR     R1, =OSPrioHighRdy
    

  9.     LDRB    R2, [R1]
    

  10.     STRB    R2, [R0]
    


  11. 

  12.     LDR     R0, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    

  13.     LDR     R1, =OSTCBHighRdy
    

  14.     LDR     R2, [R1]
    

  15.     STR     R2, [R0]
    


  16. 

  17.     LDR     R0, [R2] 
    

  18.         
    

  19.         LDMIA        R0!, {R3-R11}
    

  20.         MOV                R14, R3
    

  21.                                            ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
    

  22.     ;LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack
    

  23.     ;ADDS    R0, R0, #0x20
    


  24. 

  25.         ;Is the task using the FPU context? If so, push high vfp registers.
    

  26.         TST         R14, #0x10
    

  27.         IT                 EQ
    

  28.         VLDMIAEQ R0!, {S16-S31}
四、移植测试
       最后编写了一个测试程序，对uC/OS-II操作系统能否正常运行进行测试。如果需要开启FPU，还需要在系统初始化中进行开启操作，而在system_stm32f4xx.c文件中的系统上电初始化函数SystemInit中，有相应的代码如下：
复制
  1.  /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
    

  2.   #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
    

  3.     SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2));  /* set CP10 and CP11 Full Access */
    

  4.   #endif
所以必须将__FPU_PRESENT 和__FPU_USED定义为1，而__FPU_PRESENT在stm32f4xx.h中已经定义为1，所以需要在options for Target中的C/C++选项卡中添加__FPU_USED的宏定义：
7.jpg

同时在Target选项卡的Floating Point Hardware中选择使用单精度，即Use Single Precision。
8.jpg

测试部分主要代码如下：
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  1. void App_TaskCreat(void)
    

  2. {
    

  3.                 u3_printf("create multitask...\r\n");
    

  4.         
    

  5.           OSTaskCreateExt(App_Task1,(void *)0,&AppTask1Stk[APP_TASK_1_STK_SIZE-1],APP_TASK_1_PRIO,
    

  6.                           APP_TASK_1_PRIO,&AppTask1Stk[0],APP_TASK_1_STK_SIZE,(void *)0,(OS_TASK_OPT_STK_CLR | OS_TASK_OPT_STK_CHK));
    

  7.                 
    

  8.                 OSTaskCreateExt(App_Task2,(void *)0,&AppTask2Stk[APP_TASK_2_STK_SIZE-1],APP_TASK_2_PRIO,
    

  9.                           APP_TASK_2_PRIO,&AppTask2Stk[0],APP_TASK_2_STK_SIZE,(void *)0,(OS_TASK_OPT_STK_CLR | OS_TASK_OPT_STK_CHK));
    

  10. }
    


  11. 

  12. static void App_Task1(void *p_arg)
    

  13. {
    

  14.                 static float float_num=0.00f;
    

  15.                 (void)p_arg;
    

  16.                 
    

  17.                 while(1){
    

  18.                                 float_num += 0.01f;
    

  19.                           u3_printf("float_num:%.4f\r\n",float_num);
    

  20.                                 u3_printf("Task1 is running...\r\n");
    

  21.                                 OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);
    

  22.                 }
    

  23. }
    


  24. 

  25. static void App_Task2(void *p_arg)
    

  26. {
    

  27.                 (void)p_arg;
    

  28.                 while(1){
    

  29.                                 u3_printf("Task2 is running...\r\n");
    

  30.                                 OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);
    

  31.                 }
    

  32. }
编译链接后下载运行，结果如下图所示，说明系统移植成功。
ucos.jpg

在程序中float_num += 0.01f;语句前面设置断点，观察反汇编代码，如下：
5.jpg

可以看到程序将要执行VLDR、VADD、VSTR等汇编指令，而这些指令都是单精度浮点指令。而左边窗口中FPU状态和控制寄存器FPSCR中的IXC位为1
6.jpg

从上表中可以看到，IXC位置1表示发生了浮点异常。以上实验现象均说明系统确实开启了FPU。





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 楼主| zhangbin_abc 发表于 2015-12-27 17:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangbin_abc 于 2015-12-27 17:29 编辑

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绝影 发表于 2016-8-23 00:26 | 显示全部楼层
楼主 您好 能共享一下工程文件吗，我移植遇到点问题，参考一下。
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desertsailor 发表于 2017-8-18 13:59 | 显示全部楼层
在保存FPSCR之前为何要增加一个No Name Register  ？
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pjzmj2012 发表于 2020-3-5 16:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 pjzmj2012 于 2020-3-5 16:46 编辑

0.01后面为什么要加个 f ？？
float类型的字面常量，后面需要加上f或者F来表示是一个单精度浮点数。只所以要这样写，是因为默认的浮点数常量都是double类型。
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