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Cortex-M1處理器是流水線三級32位RISC處理器，采用了流行的高密度Thumb?-2指令集。它同時支持處理器和軟件要求，滿足了最小FPGA的面積預(yù)算，同時兼容從ARM7TDMI?處理器開始的ARM處理器Thumb代碼。雖然是Cortex處理器系列中最小的處理器，Cortex-M1處理器依然實現(xiàn)了每MHz 0.8 DMIPS。利用Cortex-M1處理器，OEM能夠在FPGA和HardCopy?ASIC以及分立器件中發(fā)揮其ARM體系結(jié)構(gòu)的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢。
Altera Cyclone III FPGA的ARM Cortex-M1開發(fā)套件為OEM提供了設(shè)計ARM處理器系統(tǒng)所需的工具。在ARM Cortex-M1開發(fā)套件中，以加密的SOPC Builder工具兼容知識產(chǎn)權(quán)（IP）格式來實現(xiàn)ARM Cortex-M1處理器。這樣，OEM能夠使用流行的Altera Quartus? II 開發(fā)軟件，將Cortex-M1處理器與其他系統(tǒng)組件集成到一起，這一軟件包括SOPC Builder工具。套件還為ARM RealView微控制器提供開發(fā)套件，以滿足所有嵌入式開發(fā)需求。Cortex-M1處理器受益于ARM聯(lián)絡(luò)社區(qū)豐富的工具支持，以及RTOS供應(yīng)商的支持。
為簡化IP許可過程，Cortex-M1開發(fā)套件提供“點擊鏈接”式最終用戶許可協(xié)議，授權(quán)OEM開發(fā)不受限制的Cortex-M1處理器設(shè)計，使用時間是一年。許可為這些設(shè)計提供永久實施權(quán)利，包括1，000個版稅，可以在隨用隨付的基礎(chǔ)上迅速方便的展開應(yīng)用。
特性
流水線三級32位ARM? Cortex處理器
適合在FPGA中實現(xiàn)，主要面向Altera? Cyclone? III FPGA。
SOPC Builder可用
低成本ARM Cortex-M1開發(fā)套件，包括ARM RealView微控制器開發(fā)套件。
由ARM聯(lián)絡(luò)社區(qū)的多種工具和操作系統(tǒng)提供支持
更簡單的許可過程
ARM處理器簡單移植途徑
集成可配置中斷控制器
集成系統(tǒng)定時器，增強(qiáng)RTOS支持。
可選調(diào)試、斷點和監(jiān)視點單元
結(jié)構(gòu)圖
二、Cortex-M3基礎(chǔ)學(xué)習(xí)
因為項目所需，所以不得不開始研究M3，我用的是NXP公司的LPC1768這個芯片，它是具有三級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線，還包含一個支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。好了，今天只是初步測試一下它的GPIO功能，所謂的GPIO也就是通用輸入/輸出口（General Purpose Input Output），萬丈高樓平地起，慢慢來吧。實驗的原理圖很簡單，就是幾個LED燈，關(guān)于燈的電流及電壓參數(shù)，這里不作詳細(xì)介紹，有興趣的可以到網(wǎng)上或供應(yīng)商那里要一份數(shù)據(jù)手冊看一下，做技術(shù)的不能懶，有些東西該看的還是要看的。
圖1 硬件原理圖
硬件原理圖很簡單了，74LVC244是用來驅(qū)動LED的，74LVC244內(nèi)部就是8個三態(tài)門，關(guān)于它的詳細(xì)電氣參數(shù)，請參閱它的數(shù)據(jù)手冊。關(guān)于程序也不是太難，有幾個地方要說一下。即然是GPIO實驗，當(dāng)然要關(guān)注GPIO的配置了，由于大部分引腳都具有一個以上功能，所以首先要配置引腳功能寄存器PINSEL，只有當(dāng)引腳配置為GPIO功能時，GPIO的方向位才有效，對于其它功能來說，方向是自動的。關(guān)于引腳功能寄存器PINSEL功能如下表所示：
PINSEL0~PINSEL9的值功能復(fù)位后的值
00默認(rèn)功能，通常為GPIO口00
01第一個可選功能
10第二個可選功能
11第三個可選功能
PINSEL寄存器每兩位控制一個引腳，由于各個引腳的功能不一樣，所以PINSEL0~PINSEL9的配置也相應(yīng)的有所不同，想詳細(xì)了解這10個寄存器的功能可以參看《user.manual.lpc17xx》，這個手冊可以到NXP的網(wǎng)站上去下載。由于這次實驗只是用到GPIO功能，所以暫時不用管這個寄存器，用它的默認(rèn)值就可以了。
另一個寄存器是引腳模式選擇寄存器PINMODE，它控制所有端口的工作模式，包括是否配置上拉/下拉電阻和特定的開漏操作模式等。引腳模式選擇寄存器PINMODE的功能如下表所示：
PINMODE0~PINMODE9的值功能復(fù)位后的值
00引腳使能片內(nèi)上拉電阻00
01中斷模式
10引腳沒有使能片內(nèi)上拉/下拉電阻
11引腳使能下拉電阻
當(dāng)引腳處于邏輯高電平時，中繼模式使能上拉電阻，當(dāng)引腳處于邏輯低電平時，使能下拉電阻，當(dāng)引腳配置為輸入且不是通過外部驅(qū)動時，引腳將保持上一個已知狀態(tài)。PINMODE_0D寄存器控制寄存器的開漏模式，引腳配置為輸出且值為0時，開漏模式會正常地將引腳電平拉低。但是如果輸出引腳為1，則引腳輸出驅(qū)動關(guān)閉，等同于改變了引腳的方向，實際上是模擬了一個開漏輸出。
PINMODE_0D0~PINMODE_0D4的值功能復(fù)位后的值
00引腳處于正常模式（非開漏模式）00
01引腳處于開漏模式
除了以上兩個寄存器要配置，與GPIO端口相關(guān)的寄存器還有快速端口值寄存器FIOPIN可以用來讀/寫端口的值，端口輸出置位寄存器FIOSET，當(dāng)這個寄存器的相應(yīng)位置1時，相應(yīng)端口引腳輸出1，當(dāng)然也可以從這個寄存器讀取當(dāng)前引腳輸出的值，與它對應(yīng)的寄存器是FIOCLR，當(dāng)寄存器FIOCLR相應(yīng)位置1時，相應(yīng)引腳輸出0，但這個寄存器是只寫寄存器，不能讀取數(shù)據(jù)。好了，關(guān)于這些寄存器先總結(jié)到這，詳細(xì)的配置還要看LPC1768的用戶手冊《user.manual.lpc17xx》，當(dāng)然也可以經(jīng)常去NXP網(wǎng)站逛逛看看其它的handbook或whitepaper 好了，下面給出實驗程序，由于程序太多，只給出部分，剩下的源文件可以到工程文件夾中去找：
/*********************************************************************************
文件名稱：mian.c
功 能： 主要調(diào)度函數(shù)及應(yīng)用函數(shù)
編譯環(huán)境： MDKV4.12
時 鐘： 外部12Mhz
日 期： 11/08/16
作 者： 懶貓愛飛
備 注：NULL
---------------------------------------------------------------------------------
修改內(nèi)容：NULL
修改日期：XXXX年xx月xx日 xx時xx分
修改人員：xxx xxx xxx
**********************************************************************************/
#include“main.h”
volatile unsigned lONg SysTickCnt; /* 用于系統(tǒng)時鐘計數(shù)*/
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void SysTick_Handler （void）
* 函數(shù)功能： 系統(tǒng)節(jié)拍定時器中斷函數(shù)，每1ms計數(shù)一次
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void SysTick_Handler （void）
{
SysTickCnt++;
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void Delay （unsigned long tick）
* 函數(shù)功能： 毫秒級延時函數(shù)
* 入口參數(shù)： unsigned long tick -- 延時時長
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void DelayMs （unsigned long tick）
{
unsigned long systickcnt;
systickcnt = SysTickCnt;
while （（SysTickCnt - systickcnt） 《 tick）;
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void PortInit（void）
* 函數(shù)功能： 端口初始化
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void PortInit（void）
{
GPIO1-》FIODIR = 0xB0000000; /* LEDs on PORT1 defined as Output */
GPIO2-》FIODIR = 0x0000007C; /* LEDs on PORT2 defined as Output */
Led1Off（）; /* 初始化時熄滅所有的燈*/
Led2Off（）;
Led3Off（）;
Led4Off（）;
Led5Off（）;
Led6Off（）;
Led7Off（）;
Led8Off（）;
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：int main（void）
* 函數(shù)功能： 主函數(shù)
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
int main（void）
{
SystemInit（）; /* 系統(tǒng)初始化，函數(shù)在system_LPC17xx.c文件夾中定義*/
SysTick_Config（SystemFrequency/1000 - 1）; /* 配置時鐘中斷，每1ms中斷一次*/
/* 在core_cm3.h中定義*/
PortInit（）; /* 端口初始化*/
while（1）
{
Led1On（）; //LED1開
Led4On（）; //LED4 開
DelayMs（200）;
Led1Off（）; //LED1關(guān)
Led4Off（）; //LED4關(guān)
DelayMs（200）;
}
}
因為程序是最基礎(chǔ)的實驗，所以不是太難，程序中延時函數(shù)用的是系統(tǒng)節(jié)拍定時器，每1m中斷一次，系統(tǒng)節(jié)拍定時器的中斷配置函數(shù)是SysTick_Config（uint32_t ticks）它在core_cm3.h中有定義，有興趣的話可以看看。GPIO是一個結(jié)構(gòu)體指針，原型在LPC17XX.H這個頭文件中，其定義的原型如下所示：
typedef struct
{
__IO uint32_t FIODIR;
uint32_t RESERVED0［3］;
__IO uint32_t FIOMASK;
__IO uint32_t FIOPIN;
__IO uint32_t FIOSET;
__O uint32_t FIOCLR;
} GPIO_TypeDef;
還有幾個宏定義，如下所示：
1）、#define GPIO1 （（ GPIO_TypeDef *） GPIO1_BASE）
上面這個宏是把GPIO1指向芯片GPIO1的基址上，
2）、#define GPIO1_BASE （GPIO_BASE + 0x00020）
3）、#define GPIO_BASE （0x2009C000UL）
這三個宏就把GPIO的基址定義了出來，關(guān)于LPV1768內(nèi)部地址的分配情況，可以參看它的數(shù)據(jù)手冊，也可參考一下《ARM Cortex-M3 權(quán)威指南》。
有輸出總會有輸入，今天測試一下按鍵的功能，第一節(jié)已經(jīng)說過了與GPIO端口相關(guān)的寄存器，這里不在重復(fù)，想要從端口讀取數(shù)據(jù)，首先把FIODIR這個寄存器設(shè)置為輸入，再從FIOPIN寄存器讀取數(shù)據(jù)就可以了，這個寄存器具有讀寫功能。下面說一下這個實驗的電路圖，如下所示：
圖1 JoySTick按鍵連線圖
關(guān)于按鍵電路還有一個，不過是接在外部中斷0 上的，其電路圖如下圖所示：
這次實驗沒有涉及到外部中斷，都是做普通的IO輸入使用的，所以在這里外部中斷就做學(xué)習(xí)總結(jié)了。下面給出這次實驗的主程序：
/*********************************************************************************
文件名稱：mian.c
功 能： 主要調(diào)度函數(shù)及應(yīng)用函數(shù)
編譯環(huán)境： MDKV4.12
時 鐘： 外部12Mhz
日 期： 11/08/16
作 者： 懶貓愛飛
備 注：NULL
---------------------------------------------------------------------------------
修改內(nèi)容：NULL
修改日期：XXXX年xx月xx日 xx時xx分
修改人員：xxx xxx xxx
**********************************************************************************/
#include“main.h”
volatile unsigned lONg SysTickCnt; /* 用于系統(tǒng)時鐘計數(shù)*/
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void SysTick_Handler （void）
* 函數(shù)功能： 系統(tǒng)節(jié)拍定時器中斷函數(shù)，每1ms計數(shù)一次
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void SysTick_Handler （void）
{
SysTickCnt++;
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void Delay （unsigned long tick）
* 函數(shù)功能： 毫秒級延時函數(shù)
* 入口參數(shù)： unsigned long tick -- 延時時長
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void DelayMs （unsigned long tick）
{
unsigned long systickcnt;
systickcnt = SysTickCnt;
while （（SysTickCnt - systickcnt） 《 tick）;
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void PortInit（void）
* 函數(shù)功能： 端口初始化
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void PortInit（void）
{
GPIO1-》FIODIR = 0xB0000000; /* LEDs on PORT1 defined as Output */
GPIO2-》FIODIR = 0x0000007C; /* LEDs on PORT2 defined as Output */
LedAllOff（）; /* 初始化時熄滅所有的燈*/
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：int main（void）
* 函數(shù)功能： 主函數(shù)
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
int main（void）
{
unsigned char LedFlag = 1; // 記錄LED狀態(tài)
SystemInit（）; /* 系統(tǒng)初始化，函數(shù)在system_LPC17xx.c文件夾中定義*/
SysTick_Config（SystemFrequency/1000 - 1）; /* 配置時鐘中斷，每1ms中斷一次*/
/* 在core_cm3.h中定義*/
PortInit（）; /* 端口初始化*/
while（1）
{
if（！LedFlag）
{
Led1On（）; // 點亮LED
}
else
{
Led1Off（）; // 熄滅LED
}
if（！KEY_VAL）
{
DelayMs（10）;
while（！KEY_VAL）;
LedFlag ^=1; // Led狀態(tài)改變一次
}
if（！KEY_EN） // 此處是為了測試搖桿按鍵的功能是否正常
{
DelayMs（10）;
while（！KEY_EN）;
Led8Neg（）; // 點亮LED // Led狀態(tài)改變一次
}
}
}
上一節(jié)對程序沒有做過多的解釋，這里詳細(xì)分析一下，工程中包含的源文件如下圖所示：
工程中startup_LPC17XX.s是M3的啟動文件，啟動文件由匯編語言寫的，它的作用一般是下面這幾個：
1）堆和棧的初始化
2）向量表定義
3）地址重映射及中斷向量表的轉(zhuǎn)移
4）設(shè)置系統(tǒng)時鐘頻率
5）中斷寄存器的初始化
6）進(jìn)入C應(yīng)用程序
工程中main.c是我寫的應(yīng)用程序，也就是這次實驗的程序，core_cm3.c與core_cm3.h主要是M3外圍驅(qū)動源代碼與頭文件，使用時一般不需要修改，直接調(diào)用就可以。system_LPC17xx.c與system_LPC17xx.h是關(guān)于系統(tǒng)的文件，里面主要提供了系統(tǒng)初始化函數(shù)SystemInit（），文件中默認(rèn)情況下定義的晶振的大小為12M，使用的是外部晶振，還使用了PLL0倍頻，關(guān)于倍頻的問題，以后慢慢再總結(jié)。芯片LPC1768的初始化主要包括時鐘配置，電源管理，功耗管理等。相比較而言，時鐘配置相對復(fù)雜，因為它包括兩個PLL倍頻電路，一個是主PLL0主要是為系統(tǒng)和USB提供時鐘，另一個是PLL1專門為USB提供48M時鐘，但也可以不使用它們。由于時鐘配置比較靈活，所以相以設(shè)置這些參數(shù)也比較復(fù)雜，但是這些在系統(tǒng)文件中已有明確的定義，所以想要變動時只需修改系統(tǒng)文件中相應(yīng)的宏或函數(shù)即可。
下面簡要總結(jié)一下main（）函數(shù)，首先是系統(tǒng)初始化函數(shù)SystemInit（），上面說過它在system_LPC17xx.c這個源文件中，這個函數(shù)主要完成了對時鐘的配置，系統(tǒng)功耗PCONP，時鐘輸出，flash加速等系統(tǒng)資源配置。如果要進(jìn)行修改可以參考源文件的修改方法，雖然是英文注釋，但都非常簡單，有興趣的可以打開看看，不過一般情況下我們拿來直接用就好了不用修改的。
函數(shù)SysTick_Config（SystemFrequency/1000 - 1） 是用來配置系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的，它的原型在core_m3.c這個源文件中。實驗程序中用的延時函數(shù)都是硬件延時，其實就是系統(tǒng)節(jié)拍定時器所產(chǎn)生的。使用硬件延時的原因是1、不占用軟件系統(tǒng)資源，2、比較精確。系統(tǒng)定時器配置很簡單，使用也很方便，專為系統(tǒng)軟件或系統(tǒng)管理軟件提供間隔中斷。系統(tǒng)節(jié)拍定時器的時鐘源可以是內(nèi)核時鐘也，可以是外部時鐘，外部時鐘P3.26腳引入，當(dāng)然想從這個引腳輸入時鐘，需要將這個引腳先配置成STCLK功能。系統(tǒng)節(jié)拍定時器是一個24位定時器，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到0時產(chǎn)生中斷。系統(tǒng)節(jié)拍定時器的功能就是為下一次中斷提供前提供一個固定時間間隔。由于節(jié)拍定時器是24位的，所以使用時不能與其它定時器混為一談，一定要注意定時時長的限制，不能超過界限。
最后再說一下數(shù)據(jù)類型的問題，在8位機(jī)中數(shù)據(jù)位找一般就是8位的所以，定義變量時一般選用單字節(jié)處理速度會快些，但到了32位機(jī)中，數(shù)據(jù)位寬一般是32位的，所以定義變量時一般用4字節(jié)會好些。在core_cm3.c中有關(guān)于數(shù)據(jù)類型的定義，有興趣的可以打開看看。
無論是哪款單片機(jī)應(yīng)該都有對應(yīng)的中斷的功能，中斷在嵌入式系統(tǒng)的地位毋庸置疑。LPC1768微處理器包括4個外部中斷，分別是EINT0、EINT1、EINT2、EINT3對應(yīng)的引腳分別是P2.10~P2.13，這幾個引腳也可以作為通用IO口使用。名個外部中斷可以設(shè)置成低電平/高電平或上升沿/下降沿有效，它們還有一個功能就是可用于將處理器從睡眠、深度睡眠或掉電模式中喚醒。涉及到外部中斷的寄存器主要有以下幾個：
寄存器名稱描述功能默認(rèn)值
EXTINT外部中斷標(biāo)志寄存器設(shè)置或查看中斷標(biāo)志0x00
EXTMODE外部中斷模式寄存器設(shè)置電平觸發(fā)或邊沿觸發(fā)0x00
EXTPOLAR外部中斷極性寄存器設(shè)置為高/低電平或上升/下降沿觸發(fā)0x00
PINSEL4引腳功能選擇寄存器選擇P2引腳的功能0x00
因為實驗選用中斷方式而非查詢方式來測試中斷，因中P2.10口接有一個按鍵，所以就用這個按鍵來作個簡單的中斷實驗，由于是選用的是下降沿觸發(fā)，所以還涉及一個寄存器：IO2IntenF這個寄存器的功能是使能P2口的下降沿中斷功能。因為只是實驗，所以電路很簡單，還是使用的前兩次用的電路圖，如下所示：
圖1 LED指示電路
還有一個電路，其實就是在P2.10口上接了一個輕工觸按鍵，以觸發(fā)外部中斷，這里就不上圖了。好了，由于實驗內(nèi)容簡單，下面給出中斷程序，關(guān)于主程序有興趣的話可以參看附件中的，里面有完整的Real MDK4.10建立的工程工件：
/*********************************************************************************
文件名稱：extint.c
功 能： LPC1768的外部中斷函數(shù)
編譯環(huán)境： MDKV4.12
時 鐘： 外部12Mhz
日 期： 11/08/18
作 者： 懶貓愛飛
備 注：NULL
---------------------------------------------------------------------------------
修改內(nèi)容：NULL
修改日期：XXXX年xx月xx日 xx時xx分
修改人員：xxx xxx xxx
**********************************************************************************/
#include “includes.h”
volatile uint32_t eint0_counter = 8; // 初始化時第一個燈亮
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：void EINT0_IRQHandler （void）
* 函數(shù)功能： 外部中斷0函數(shù)入口
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 無
* 備 注：無
*******************************************************************************/
void EINT0_IRQHandler （void）
{
SC -》 EXTINT = EINT0; /* 清中斷*/
switch（eint0_counter%8）
{
case 0： Led1Neg（）; /* LED1狀態(tài)取反*/
break;
case 1： Led2Neg（）; /* LED2狀態(tài)取反*/
break;
case 2： Led3Neg（）; /* LED3狀態(tài)取反*/
break;
case 3： Led4Neg（）; /* LED4狀態(tài)取反*/
break;
case 4： Led5Neg（）; /* LED5狀態(tài)取反*/
break;
case 5： Led6Neg（）; /* LED6狀態(tài)取反*/
break;
case 6： Led7Neg（）; /* LED7狀態(tài)取反*/
break;
case 7： Led8Neg（）; /* LED8狀態(tài)取反*/
break;
default:break;
}
eint0_counter++; /* 計數(shù)值加1 */
}
/********************************************************************************
* 函數(shù)名稱：uint32_t EINTInit（ void ）
* 函數(shù)功能： 外部中斷0初始化函數(shù)
* 入口參數(shù)： 無
* 出口參數(shù)： 返回TURE或FALSE
* 備 注：如果是返回false則說明中斷入口函數(shù)沒有在中斷向量表中建立
*******************************************************************************/
uint32_t EINTInit（ void ）
{
PINCON -》 PINSEL4 = 0x00100000; /* 將P2.10腳設(shè)置為EINT0即第二功能*/
GPIOINT -》 IO2IntEnF = 0x200; /* 設(shè)置為下降沿觸發(fā)*/
SC -》 EXTMODE = EINT0_EDGE; /* 外部中斷模式選擇為邊沿觸發(fā)*/
SC -》 EXTPOLAR = 0; /* 外部中斷1極性設(shè)置，此處選默認(rèn)的低電平或下降沿*/
NVIC_EnableIRQ（EINT0_IRQn）; /* 使能外部中斷0 */
return（ TRUE ）;
}
這個程序只有兩個函數(shù)，一個是中斷處理函數(shù)，沒有什么不好理解，在這里不總結(jié)，關(guān)于中斷初始化函數(shù)，前面都是設(shè)置相關(guān)的中斷寄存器的，關(guān)于寄存器是怎么設(shè)置的可以看一下LPC1768的手冊，上面都有詳細(xì)的說明，在這里不再碼字總結(jié)。關(guān)于void NVIC_EnableIRQ（IRQn_Type IRQn）這個函數(shù)，它在core_cm3.h中有定義，其實就是設(shè)置中斷使能寄存器ISER，從名字就可以看出來了，它的功能就是使能中斷。這次外部中斷沒有用查詢的方式，查詢方式的原理就是設(shè)置好中斷，使能中斷，然后主程序一直查詢中斷位是否有中斷，然后再執(zhí)行相應(yīng)的措施。
三、Cortex-M3內(nèi)核的μC/OSII性能研究
引言
μC/OSII是基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)中的所有任務(wù)都有一個唯一的優(yōu)先級別，它適合應(yīng)用在實時性要求較強(qiáng)的場合;但是它不區(qū)分用戶空間和系統(tǒng)空間，使系統(tǒng)的安全性變差。而移植到CortexM3內(nèi)核上的μC/OSII系統(tǒng)一般是運(yùn)行在特權(quán)級下，以至于應(yīng)用程序也可以訪問操作系統(tǒng)的變量和常量，這樣使得系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性變得更差。
根據(jù)CortexM3內(nèi)核的特點，對μC/OSII操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。利用CortexM3內(nèi)核上選配的MPU（Memory ProtectiON Unit，存儲器保護(hù)單元），對μC/OSII操作系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與優(yōu)化。經(jīng)測試，系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到很大的提高。
1 開發(fā)壞境
采用IAR5.30作為開發(fā)環(huán)境，移植μC/OSII2.86到CortexM3內(nèi)核，選用配置了MPU（Memory Protection Unit，存儲器保護(hù)單元）的LPC1786處理器作為硬件實驗平臺，對操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。
2 CortexM3內(nèi)核簡介
在CortexM3內(nèi)核*有兩個堆棧指針：主堆棧指針（MSP），是系統(tǒng)上電后缺省的堆棧指針，它由OS內(nèi)核、異常服務(wù)例程以及所有需要特權(quán)訪問的應(yīng)用程序代碼來使用;進(jìn)程堆棧指針（PSP），用于常規(guī)的應(yīng)用程序代碼（不處于異常服務(wù)例程中時）。
CortexM3處理器支持線程模式和處理模式兩種工作模式，有特權(quán)級與用戶級兩個訪問等級。異常處理總是工作在處理模式，只可使用主堆棧指針。處理模式總是在特權(quán)級下運(yùn)行，而線程模式可在特權(quán)和用戶級下運(yùn)行。系統(tǒng)復(fù)位時總是處于線程模式的特權(quán)方式下，并且默認(rèn)使用的堆棧指針是MSP。在用戶級下，對特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間（SCS）的大部分寄存器的訪問是禁止的［2］。
經(jīng)實驗驗證，在用戶級下使用MSR、MRS指令訪問特殊功能寄存器（CONTROL等），這些指令被當(dāng)作NOP指令（空指令）執(zhí)行，而對系統(tǒng)控制空間（SCS）寄存器訪問會產(chǎn)生精確的總線訪問異常。
另外，CortexM3內(nèi)核還可以選配MPU（如LPC1700系列、LM3S系列處理器），用于對存儲器進(jìn)行保護(hù)。設(shè)定一塊內(nèi)存的訪問權(quán)限，對系統(tǒng)的安全性有很好的幫助。
3 μC/OSII內(nèi)核簡介
μC/OSII是一個可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。大部分用ANSI C語言編寫，只有一小部分與硬件相關(guān)的代碼用匯編語言編寫。至今，μC/OSII已經(jīng)在40多種不同架構(gòu)的微內(nèi)核處理器上移植成功［4］。μC/OSII內(nèi)核只提供了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理和任務(wù)間通信等基本功能，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)行系統(tǒng)移植時，只需要修改OS_CPU_C.C、OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM這3個文件即可。
圖1 μC/OSII體系結(jié)構(gòu)
4 μC/OSII操作系統(tǒng)移植的改進(jìn)
μC/OSII*****提供的基于CortexM3內(nèi)核移植的μC/OSII系統(tǒng)一直工作在特權(quán)級下。這樣做的好處是，系統(tǒng)不用頻繁地切換訪問等級，而且開關(guān)中斷很快，利于實時性的實現(xiàn);但是應(yīng)用程序（用戶任務(wù)）也可以訪問特殊功能寄存器和系統(tǒng)控制空間（SCS）寄存器，修改操作系統(tǒng)的變量，這對系統(tǒng)的安全性是一種威脅，如果用戶任務(wù)程序跑飛，那就有可能破壞系統(tǒng)寄存器和變量［5］。
4.1 系統(tǒng)寄存器的設(shè)置
用戶應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶級，使用PSP堆棧指針;操作系統(tǒng)函數(shù)運(yùn)行在特權(quán)級，使用的也是PSP堆棧指針;而中斷服務(wù)例程運(yùn)行在處理模式的特權(quán)方式下，使用MSP堆棧指針。
圖2 特權(quán)與用戶級分區(qū)
首先利用MPU把內(nèi)存分為特權(quán)級訪問和用戶級訪問兩個區(qū)，如圖2所示。在系統(tǒng)初始化時，設(shè)置MPU相關(guān)寄存器，為系統(tǒng)分配任務(wù)堆棧與主堆棧：任務(wù)堆棧分配在用戶區(qū)，系統(tǒng)變量與主堆棧分配在特權(quán)區(qū)，只可特權(quán)級下訪問。
4.2 系統(tǒng)函數(shù)的修改
用戶任務(wù)工作在用戶級下，操作系統(tǒng)函數(shù)工作在特權(quán)級下，任務(wù)可能會在執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)時執(zhí)行上下文切換，因此系統(tǒng)要記錄任務(wù)切換時是處在特權(quán)級還是用戶級下，以便任務(wù)再次獲得處理器控制權(quán)時，切換到原先的訪問等級下。在任務(wù)創(chuàng)建時，加入訪問權(quán)限參數(shù)mode。
權(quán)限的值定義為：
#define OS_Mode_USER 1u //用戶級
#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特權(quán)級
在創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)與堆棧初始函數(shù)的參數(shù)中加入訪問權(quán)限參數(shù)，形式如下：
INT8U OSTaskCreateExt （……，INT8U mode ）;
OS_STK *OSTaskStkInit （……，INT8U mode）;
在堆棧初始化時，把mode最后存到堆棧當(dāng)中，以便任務(wù)第一次運(yùn)行時進(jìn)入相應(yīng)的工作模式（特權(quán)級或用戶級）。統(tǒng)計任務(wù)和空閑任務(wù)的mode是OS_Mode_PRIVILEGE，而用戶任務(wù)為OS_Mode_USER。
4.3 OS_CPU_A.ASM文件中函數(shù)的修改
在OS_CPU_A.ASM文件中，只需修改函數(shù)PendSV_Handler（PendSV服務(wù)例程），任務(wù)切換是由它來完成的。同時，設(shè)置PendSV的優(yōu)先級為最低，以便快速響應(yīng)中斷，提高系統(tǒng)的實時性。PendSV服務(wù)例程的流程如圖3所示。
圖3 PendSV服務(wù)例程流程
任務(wù)切換上文的程序：
SUBS R0，R0，#0x24;調(diào)整PSP指針，mode、R4~R11共36字節(jié)
MRS R1，CONTROL;獲取當(dāng)前任務(wù)的訪問等級mode
STM R0，{R1，R4R11};壓棧mode，R4~R11
LDR R1，=OSTCBCur;獲取OSTCBCur？﹥OSTCBStkPtr
LDR R1，［R1］
STR R0，［R1］;存儲PSP值到任務(wù)控制塊切換下文的程序：
……;OSPrioCur=OSPrioHighRdy;
……;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;
……;得到新任務(wù)的PSP值，存儲到R0中
LDM R0，{R1，R4R11};R1（mode），R4~R11出棧
MSR CONTROL，R1;修改CONTROL［0］
ORR LR，LR，#0x04;選擇返回時使用的堆棧
ADDS R0，R0，#0x24;調(diào)整PSP值
MSR PSP，R0;R0存入PSP中
4.4 系統(tǒng)函數(shù)的使用
系統(tǒng)函數(shù)都是在特權(quán)級下執(zhí)行的，在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)前應(yīng)該切換到特權(quán)級，系統(tǒng)函數(shù)執(zhí)行完畢后再切換后用戶級。調(diào)用形式如下：
ToPrivilege （）;
OSFunction（Parameter1， Parameter2……）;//系統(tǒng)函數(shù)
ToUser （）;
在特權(quán)級下可以通過置位CONTROL［0］來進(jìn)入用戶級。用戶級下是不能通過修改CONTROL［0］來回到特權(quán)級的，必須通過一個異常handler來修改CONTROL［0］，才能在返回到線程模式后取得特權(quán)級。因此，從用戶級到特權(quán)級的方法就是產(chǎn)生一個異常，再在異常例程中修改CONTROL［0］。通常的方法是使用軟中斷SVC。
切換到特權(quán)級的代碼如下：
ToPrivilege;函數(shù)ToPrivilege （）
SVC 0
BX LR
SVC_Handler;SVC服務(wù)例程
MRS R1，CONTROL
AND R1，R1，#0xFE
MSR CONTROL，R1;回到特權(quán)級
BX LR
而從特權(quán)到用戶級就簡單了，只要執(zhí)行切換程序就可以了，不用產(chǎn)生異常。切換到用戶級的代碼為：
ToUser;函數(shù)ToPrivilege （）
MRS R0，CONTROL
ORR R0，R0，#0x01;切換到用戶級
MSR CONTROL，R0
BX LR
4.5 其他改進(jìn)方法
任務(wù)在用戶級+PSP下運(yùn)行，而操作系統(tǒng)函數(shù)運(yùn)行在特權(quán)級+MPS運(yùn)行，中斷服務(wù)例程有硬件設(shè)定在處理模式+特權(quán)級+MSP，這樣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性會更高。但是每個任務(wù)需要兩個堆棧PSP、MSP。這樣無疑增加了內(nèi)存的使用（將近增加一倍），由于嵌入式芯片的片內(nèi)RAM比較小，增加內(nèi)存必然會增加成本，并且要對任務(wù)控制塊做相應(yīng)的修改，存儲兩個堆棧。任務(wù)創(chuàng)建時對這兩個堆棧都要初始化，任務(wù)切換時判斷切換的堆棧與訪問權(quán)限，這些都增加了系統(tǒng)的開銷。
結(jié)語
系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行10個小時以上沒出現(xiàn)任何問題，可見系統(tǒng)移植成功。利用CortexM3內(nèi)核選配的MPU，對μC/OSII操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，只是增加了很小的系統(tǒng)開銷，卻使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。該方法可應(yīng)用于對系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性要求比較高的場合。
四、雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器
說明
雙核 ARM? CortexTM-A9 MPCoreTM 應(yīng)用類處理器是 Altera Arria V SoC FPGAs 和 Cyclone V SoC FPGA 中的集成硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP）組件。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，很多ARM輔助系統(tǒng)資源合作伙伴為ARM Cortex-A9處理器提供同類最佳的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)支持。
HPS
ARM Cortex-A9處理器結(jié)合了豐富的嵌入式外設(shè)、接口以及片內(nèi)存儲器，以建立完整的硬核處理器系統(tǒng)（HPS）。HPS和FPGA架構(gòu)的寬帶片內(nèi)干線鏈接提供了100-Gbps的峰值帶寬，使ARM處理器和FPGA架構(gòu)的硬件加速器能夠很好的共享數(shù)據(jù)。
特性
800-MHz雙核處理器支持對稱和非對稱多路處理
每一處理器包括以下組成：
高效的雙發(fā)超標(biāo)量流水線（2.5 MIPS*每MHz）
用于媒體和信號處理加速的NEONTM媒體處理引擎
單精度和雙精度浮點單元
32-KB指令和32-KB數(shù)據(jù)高速緩存
連貫高速緩存，以增強(qiáng)處理器間的通信功能
采用了TrustZone?安全技術(shù)的存儲器管理單元
Thumb?-2技術(shù)，增強(qiáng)了代碼密度、性能和功效
Jazelle?擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)，加速了Java虛擬機(jī)
編程跟蹤宏單元，實現(xiàn)處理器指令流的全面可視化
共享512-KB、8路聯(lián)合L2高速緩存，按路、行或者主機(jī)進(jìn)行鎖定
加速連貫端口，支持CPU擴(kuò)展連貫存儲器訪問
普通中斷控制器
32位通用定時器
看門狗定時器
Altera? Arria? V SoC FPGA 和 Cyclone? V SoC FPGA 提供這些功能
* Dhrystones 2.1 基準(zhǔn)測試
工商網(wǎng)監(jiān)
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