首页 > 嵌入式软件 > Uc/os II

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。

本文引用地址: http://embed.21ic.com/software/ucos/201806/64126.html

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。

换一批

延伸阅读

[新鲜事] 谷歌上亿大奖空置11年无人领取!难道真的没人眼馋吗?

谷歌上亿大奖空置11年无人领取!难道真的没人眼馋吗?

Google在11年前为了激励民间航天业的发展,曾设立探月大奖赛,只要满足一定条件就可以领取高达3000万美元(约合人民币1.9亿)奖金,但是直到11年后大奖还是名花无主。......

关键字:谷歌 民间航天业

[新鲜事] 如果你捡到了王思聪的狗,怎么做才能把利益最大化?

如果你捡到了王思聪的狗,怎么做才能把利益最大化?

王思聪家的狗是一只“蠢萌蠢萌”的哈士奇,取名叫做coco。王思聪是一位爱狗人士,他给狗狗买豪车、别墅、玩Cosplay,在朋友圈高调晒出他俩的合照,幸福生活等等,一句话概括就是有钱真好,广大网友调侃:“过的不如狗”。......

关键字:王思聪 COCO

[新鲜事] 美国物理学家爆猛料:外星人已经对人类下手了

美国物理学家爆猛料:外星人已经对人类下手了

就在世人对外星人的存在还将信将疑的时候,美国75岁物理学家斯坦顿·弗里德曼(Stanton Friedman)声称,自己确信外星生物曾到访过地球,并且外星生物在地球上停留很长时间。外星人曾经还劫持过地球人去做实验,这些资料目前被美国政府扣押......

关键字:外星人

[新鲜事] 太淘气了!俄罗斯机器人两次私自逃离实验室将被拆解

太淘气了!俄罗斯机器人两次私自逃离实验室将被拆解

在威尔史密斯的电影《机械公敌》中,一个人工智能机器人因为有了自己的思想,在人类社会中造成了极大的混乱,如今机器人拥有智能这一现象在俄罗斯真实上演了,这个机器人两度私自逃出了实验室,第一次因为电量耗完被搁置在马路中间,第二次逃走未遂,实验室准......

关键字:俄罗斯 机器人 人工智能

[趣科技] 科学家培育出更加逼真的类大脑:直径4毫米微型球状

科学家培育出更加逼真的类大脑:直径4毫米微型球状

而斯坦福大学的神经科学家塞吉厄·帕斯卡(Sergiu Pa?ca)希望精神病学领域也能经历如此巨大的转变。但与癌症相比,研究人脑带来的挑战更大。由于大脑科学家不能像医生解剖肿瘤那样、从健康人的大脑皮层下切下一块组织,他们必须发挥创造力、另辟......

关键字:类大脑 肿瘤治疗
条评论

我 要 评 论

网友评论

大家都爱看

  • 扇出型晶圆级封装的优势和挑战!

    我们有能力创造一些能保持前代性能并且更好更小的电子设备,例如今天的可穿戴设备、智能手机或平板电脑,这是由于很多因素超过摩尔定律而快速发展,从而能够从底层的嵌入组件发展到今天把它们封…

    2018-03-29
  • Xilinx推出革命性的新型自适应计算产品

    自适应和智能计算的全球领先企业赛灵思公司(Xilinx, Inc.,(NASDAQ:XLNX)),近日宣布推出一款超越FPGA功能的突破性新型产品,名为ACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform,自适应计算加速…

    2018-03-20
  • 赛普拉斯为树莓派3 B+ IoT单板计算机提供强大稳定的无

    先进嵌入式系统解决方案的领导者赛普拉斯(纳斯达克代码:CY)近日宣布其Wi-Fi®和蓝牙®combo解决方案为全新的树莓派 3 B+(Raspberry Pi 3Model B+)IoT单板计算机提供强大稳定的无线连接…

    2018-03-20
  • 观看直播领红包,SEED-A10加速卡助力人工智能

    随着云服务器、云计算的发展,大家对硬件加速的需求越来越多,但是随着设备功耗的上升、性能需求越来越高,常规加速设备以及开始不能满足需求,因此FPGA逐渐在硬件加速中找到了自己的位置,而艾…

    2018-03-19
  • 特朗普:博通不得以任何形式收购高通

    白宫周一(3月12日)晚发出声明,川普(特朗普)总统出于“国家安全”考量、禁止新加坡博通公司(Broadcom)收购美国高通公司(Qualcomm)。

    2018-03-14