【STM32F469I试用】3. uC/OS-II移植及FPU开启

只看该作者 · 2015-12-27 17:14

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。

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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static void OS_CPU_SysTickInit(void)

{

             SysTick_Config(SysCoreClock/OS_TICKS_PER_SEC);

}

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：

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void SysTick_Handler(void)

{

                static uint32_t i;

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

                OSTimeTick();

                OSIntExit();

        

                i++;

                if(i==1000){

                        LED1_ON();

                }

                else if(i==2000){

                        LED1_OFF();

                        i = 0;

                }

}

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。

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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OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)

{

    OS_STK *stk;





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

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

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

        

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

#endif     



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

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

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

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

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

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

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

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

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



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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

#endif



                                                 /* Remaining registers saved on process stack         */

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

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

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

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

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

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

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

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



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



    return (stk);

}

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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PendSV_Handler

    CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch

    MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer 

    CBZ     R0, PendSV_Handler_Nosave                                    ; Skip register save the first time

        

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

        TST         R14, #0x10

        IT                 EQ

        VSTMDBEQ R0!, {S16-S31} 

        

        MOV                R3, R14

        STMDB        R0!, {R3-R11}

        

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

    ;STM     R0, {R4-R11}



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

    LDR     R1, [R1]

    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：

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：

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：

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PendSV_Handler_Nosave

    PUSH    {R14}                                               ; Save LR exc_return value

    LDR     R0, =OSTaskSwHook                                   ; OSTaskSwHook();

    BLX     R0

    POP     {R14} 



    LDR     R0, =OSPrioCur                                      ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

    LDR     R1, =OSPrioHighRdy

    LDRB    R2, [R1]

    STRB    R2, [R0]



    LDR     R0, =OSTCBCur                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;

    LDR     R1, =OSTCBHighRdy

    LDR     R2, [R1]

    STR     R2, [R0]



    LDR     R0, [R2] 

        

        LDMIA        R0!, {R3-R11}

        MOV                R14, R3

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

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

    ;ADDS    R0, R0, #0x20



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

        TST         R14, #0x10

        IT                 EQ

        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：

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 /* FPU settings ------------------------------------------------------------*/

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

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

  #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：

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

测试部分主要代码如下：

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void App_TaskCreat(void)

{

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

        

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

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

                

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

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

}



static void App_Task1(void *p_arg)

{

                static float float_num=0.00f;

                (void)p_arg;

                

                while(1){

                                float_num += 0.01f;

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

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

                                OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);

                }

}



static void App_Task2(void *p_arg)

{

                (void)p_arg;

                while(1){

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

                                OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);

                }

}