当前位置:首页 > 嵌入式 > 嵌入式软件
[导读]如果用户任务运行在“用户级+PSP”状态下,而调用操作系统函数时运行在“特权级+MSP”状态下,再配合MPU的使用,可以使系统的安全性与稳定性得到很大的提高。

引言

μC/OS-II是基于优先级的可剥夺型内核,实时性较强,但不区分用户空间和系统空间,使得系统的安全性变差。而μC/OS-II官网提供的基于Cortex-M3内核移植的μC/OS-II操作系统,一直运行在特权级下,用户程序也可以访问操作系统的变量和常量,导致系统的安全性与稳定性变得更差。

1 开发坏境与Cortex-M3内核简介

使用IAR 5.30开发环境,移植μC/OS-II 2.86到Cortex-M3内核上,选用配置了MPU的LPC1786处理器作为硬件实验平台。

Cortex-M3处理器支持:两种工作模式,线程模式和处理模式;两种访问等级,特权级和用户级;两个堆栈指针,主堆栈指针(MSP)和进程堆栈指针(PSP)。异常处理工作在“处理模式+特权级+MSP”下;线程模式下,访问等级与堆栈指针可以相互搭配使用;但是在用户级下,对特殊功能寄存器和系统控制空间(SCS)的大部分寄存器的访问是禁止的。

如果处理器(如LPC1700系列、LM3S系列等)配置有MPU,可通过设定内存的访问权限大幅度地提高系统的安全性。

2 μC/OS-II内核简介

μC/OS-II操作系统凭借其源代码公开、结构小巧、内核可剥夺、实时性高等诸多特性而得到广泛的应用,并且μC/OS-II绝大部分代码是用C语言编写的,便于移植到各种内核上。它提供了诸如任务调度、任务管理、时间管理、内存管理、中断管理,以及任务间的同步与通信等实时内核的基本功能,而没有提供输入输出管理、文件系统、图形用户接口及网络组件之类的额外服务。但由于μC/OS-II具有较好的可移植性和开源性,用户可以根据实际应用添加所需要的服务,而且系统移植只需修改文件OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM。

3 μC/OS-II操作系统移植的改进

如果用户任务运行在“用户级+PSP”状态下,而调用操作系统函数时运行在“特权级+MSP”状态下,再配合MPU的使用,可以使系统的安全性与稳定性得到很大的提高。

3.1 设置系统寄存器

系统任务(统计任务、空闲任务等)只使用主堆栈指针MSP,并且一直运行在特权级下;而用户任务则使用PSP、MSP两个堆栈。在系统初始化时,设置MPU的相关寄存器,把内存分为特权级与用户级两个区,如图1所示。PSP分配在用户区,MSP、系统变量与常量分配在特权区,以提高系统的安全性。

3.2 修改系统函数

为了任务首次运行时,可以进入相应的访问等级和使用相应的堆栈指针,在任务创建时,加入工作状态参数mode。在ucos_ii.h中定义访问等级与堆栈选择的常量:

3.2.1 修改任务控制块OS_TCB

在任务控制块中加入MSP指针,形式如下:

3.2.2 修改任务创建函数

在任务创建函数的参数中加入mode参数,形式如下:

对OSTaskCreateExt()函数做的修改同上。

3.2.3 修改堆栈初始函数

在堆栈初始化时,把mode值存储在MSP底部,以便任务第一次运行时进入相应的运行状态(特权级还是用户级,使用MSP还是PSP)。系统任务的mode是OS_Mode_PRIVILEGE | OS_Mode_MSP,任务创建时PSP为0;而用户任务为OS_Mode_USER | OS_Mode_PSP。

堆栈初始函数的参数中加入mode参数,形式如下:

OS_TCBInit()函数把堆栈初始化得到的堆栈指针存入OS_TCB中。

3.3 修改OS_CPU_A.ASM文件中的函数

在OS_CPU_A.ASM文件中,只需修改函数PendSV_Handler(PendSV服务例程),任务切换是由它来完成的。
PendSV服务例程的流程如图2所示。


3.4 系统函数的使用

系统函数都是在“特权级+MSP”状态下执行的,因此,在用户任务调用系统函数前,应先切换到“特权级+MSP”状态,系统函数执行完毕后再切换到“用户级+PSP”状态。具体代码如下。




在特权级下通过置位CONTRO[0]来进入用户级,而用户级下是不能直接修改CONTROL[0]回到特权级的,必须通过一个异常,在异常例程中修改CONTROL[0],才能在返回到线程模式后拿到特权级。通常的方法是使用软中断SVC。

因此,从“用户级+PSP”状态下切换到“特权级+MSP”状态的实现方法是:在用户级下执行SVC指令,在SVC异常服务函数中清零CONTROL[0]位,再返回到线程模式下清零CONTROL[1]位切换到MSP;而从“特权级+MSP”状态下切换到“用户级+PSP”状态下,只需置位CONTROL[0]与CONTROL[1]。

4 系统测试

在基于第二代Correx-M3内核的LPC1786处理器的语音识别系统上,对修改后的操作系统进行测试。具体测试过程为:首先创建3个信号量0、1、2(计数器初始值都为0);ADC按10 kHz的频率对语音信号采样,采样200点(也就是一帧数据)后发送信号量0(发生中断级切换);任务0(优先级0)请求信号量0,并对语音信号预处理并检测语音信号的起始端与结束端;当任务0检测到起始端后,每处理完一帧数据都发送信号量1(产生任务级切换),直到检测到结束端,任务1(优先级1)请求道信号量1后对真正的语言信号进行特征提取;当任务0检测到语音信号结束端时发送信号量2,任务2(优先级2)获得信号量2后利用DWT算法对语音信号进行识别并显示到LCD屏上。
测试结果表明,改进后的系统抗干扰能力、稳定性和安全性均大大增强,并且系统连续稳定地运行很长时间,没有出现任何问题,可见系统移植成功。

结语

改进后的系统,内存的使用没有增加,只是增加了很小的系统开销;但配合MPU使用,使系统的安全性和稳定性得到了很大的提高。该方法可广泛应用于对系统安全性与稳定性要求比较高的场合。

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

摘要:某车载升降平台附加拉线后搭载雷达及光学设备降低车体对设备的影响以及树木、土堆等低空障碍物对设备的遮挡。根据其离地高度、作业风速以及光学设备成像质量对位移的要求,按照简化模型原则在solidworks建模,并在sol...

关键字: 稳定性 solidworkssimulation 作业风速

事情发生的很突然,朋友圈的同学可能知道,前两天在家隔离,正想着MIPI的一个测试问题,同时也在想着一个电路的稳定性分析,谁知道我的桌子却不稳定,桌子上的遥控器自己突然“阶跃”下来,好巧不巧砸到我的电脑屏幕。

关键字: 电路 稳定性 电脑维修

摘要:电动设备的传统力矩测控技术测量精度不高,所依赖器件长期稳定性差,为了实现小干扰、高灵敏度的检测要求,提出了相敏电子式交流感应电机力矩检测与控制技术,该方法包括电压和电流采样、信号处理、力矩控制三部分。根据理论研究,...

关键字: 小干扰 稳定性 精度

在这篇文章中,小编将为大家带来传感器的相关报道。如果你对本文即将要讲解的内容存在一定兴趣,不妨继续往下阅读哦。

关键字: 传感器 线性度 稳定性

摘要:针对某作业车在风载工况下斜坡工作时的稳定性问题,通过分析其在风载工况下斜坡工作时的受力情况,构建数学模型,利用Matlab/simulink进行稳定性分析,得出支腿受力与斜坡角的关系曲线。分析结果表明:斜坡角度小于...

关键字: 稳定性 Matlab/simulink 斜坡角度

摘要:介绍了矿井提升机工作时的制动原理,提出了一种新的制动控制系统,利用Simu1ink仿真分析软件建立了该系统的仿真分析模型,对不同控制方式下的速度变化情况进行了分析,结果表明,新的提升机制动控制系统能够显著提升制动过...

关键字: 制动系统 稳定性 优化

摘要:对液压机械悬臂控制系统进行了理论分析和建模,提出了一种有别于传统PID控制器的功能函数控制策略。在AMEsim仿真平台上建立了计算机仿真模型,并通过设置和调整主要参数仿真试验了其对液压机械悬臂控制系统的动态性能的影...

关键字: 液压机械悬臂 AMEsim仿真 稳定性

摘要:对液压机械悬臂控制系统进行了理论分析和建模,提出了一种有别于传统PID控制器的功能函数控制策略。在AMEsim仿真平台上建立了计算机仿真模型,并通过设置和调整主要参数仿真试验了其对液压机械悬臂控制系统的动态性能的影...

关键字: 液压机械悬臂 AMEsim仿真 稳定性

本技术文章系列的前三期重点介绍了使用低功率放大器进行设计的好处以及如何最大限度地提高其效率。不幸的是,低功率放大器也需要权衡取舍。在第四部分中,我将考虑低功率放大器设计中最常见的挑战之一——不稳定性——以及如何用一种简单...

关键字: 运算放大器 稳定性

本文中,小编将对热电偶稳定性以及防止热电偶测温时受到干扰的方法予以介绍,如果你想对热电偶的详细情况有所认识,或者想要增进对热电偶的了解程度,不妨请看以下内容哦。

关键字: 热电偶 稳定性 隔离法
关闭
关闭