基于M16C62與uC/OS-II的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)日益深入。網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品也越來越受到人們的關(guān)注，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用也得到了前所未有的發(fā)展，人們對(duì)嵌入式的研究也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步?；谀硞€(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合應(yīng)用成為單片機(jī)應(yīng)用的新的發(fā)展趨勢(shì)。

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，它的特點(diǎn)在于公開的源代碼，很強(qiáng)的移植性，占先式多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)有單獨(dú)的棧，中斷管理及很強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性等，目前越來越受到實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的關(guān)注，本文詳細(xì)講述了如何把uC/OS-II 操作系統(tǒng)移植到M16C62 單片機(jī)中，并給出了以M16C62 單片機(jī)為核心處理器構(gòu)成的一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1、uC/OS-II的移植

uC/OS-II采用完全占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，最多可以管理56個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，因而，uC/OS-II操作系統(tǒng)并不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。但是全部UC/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是可知的，也就是，uC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。另外，uC/OS-II中每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为?dú)的棧，每個(gè)棧的大小可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要進(jìn)行分配，這樣壓低了系統(tǒng)對(duì)RAM的需求；在中斷管理方面，uC/OS-II中的中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)掛起，如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，uC/OS-II的中斷嵌套可達(dá)255層。

uC/OS-II的源碼大部分是用可移植性很強(qiáng)的ANSI C 寫的。只是和微處理器有關(guān)的很小一部分代碼是用匯編寫的，這樣把uC/OS-II移植到MC16C62中就變得相對(duì)容易很多，主要是要修改和處理器有關(guān)的代碼，如：OS-CPU.H、OS-CPU-A.ASM、OS-CPU-C.C。

（1）、OS-CUP.H頭文件

OS_CUP.H頭文件主要是定義和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型，在M16C62中的數(shù)據(jù)類型包括無符號(hào)整型、有符號(hào)整型、無符號(hào)字符型、有符號(hào)字符型等。因此，OS_CPU.H頭文件對(duì)這些類型進(jìn)行全新的定義。除了和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型定義外，在OS-CUP.H中還作了有關(guān)中斷禁止、中斷允許、堆棧的增長(zhǎng)方向等一些簡(jiǎn)單宏的定義。

（2）、OS-CPU-A.ASM文件

在OS-CPU-A.ASM文件中包含四個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù)：OSStartHighRdy（）、OSCtxsw（）、OSIntCtxsw（）、OSTickISR（）。在uC/OS-II中處于就緒態(tài)的任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，看起來和剛中斷的情形是一樣的。要想運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，移植要做的是就是將所有處理器的寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來，并且通過一條中斷返回語(yǔ)句來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。因而，OSStartHighRdy（）就是使要恢復(fù)的任務(wù)堆棧指針指到任務(wù)控制塊的0偏址的內(nèi)存單元中。也就是要把保存在任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)以及CPU寄存器，如R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB和FB返回到系統(tǒng)當(dāng)前的寄存器中，并把當(dāng)前堆棧指針指到PC指針的位置。

在uC/OS-II中任務(wù)的切換問題是通過發(fā)軟件中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。但是中斷服務(wù)例程、陷阱或異常處理例程的向量地址必須指向OSCtxSw（）。在M16C62單片機(jī)中可以通過定義軟件中斷0來完成任務(wù)的切換。因而，在M16C62中的中斷向量表中的0號(hào)軟件中斷地址指向OSCtxSW（）。對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)為0。

OSInCtxSw（）用來在ISR中執(zhí)行切換功能。由于這個(gè)函數(shù)本身就是在中斷中被調(diào)用，因而，在中斷處理時(shí)寄存器的狀態(tài)已經(jīng)都被正確保存了。在OSInCtxSw（）函數(shù)中要進(jìn)行堆棧清理工作，只有這樣被中斷的任務(wù)的堆棧內(nèi)容才能正確返回。

OSTickISR（）這個(gè)函數(shù)時(shí)UC/OS-II所要求的時(shí)鐘基準(zhǔn)，即時(shí)鐘節(jié)拍，uC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍頻率在10到100之間，通常為了計(jì)算方便而設(shè)為整數(shù)。在M16C62中有多個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器可以選擇用來作為系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。在該系統(tǒng)中利用時(shí)鐘定時(shí)器A0來產(chǎn)生頻率為100的一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。OSTickISR（）是一個(gè)中斷響應(yīng)函數(shù)，因而必須在M16C62的中斷向量表中，A0的中斷向量應(yīng)分配給OSTickISR（），對(duì)應(yīng)的中斷向量號(hào)是21。

（3）、OS_CPU_C.C文件

在這個(gè)C文件中包含6個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，而這6個(gè)函數(shù)中和移植關(guān)系最密切的OSTaskInit（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)是用來創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)堆棧。OSTaskCreat（）和OSTaskExt（）就是通過調(diào)用這個(gè)函數(shù)來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)的，由此看來，OSTaskInit（）是移植的關(guān)鍵。在前面的OS_CPU_A.ASM文件中，任務(wù)的切換是通過調(diào)用一個(gè)軟中斷0來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，通過中斷的返回指令使堆棧中的數(shù)據(jù)返回到CPU寄存器，使最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占有CPU，因而，OSTaskInit（）函數(shù)要做的就是模擬中斷發(fā)生時(shí)處理器壓棧的過程，把CPU的寄存器內(nèi)容壓到任務(wù)堆棧中。在M16C62單片機(jī)中，系統(tǒng)分為兩個(gè)堆棧，即：用戶堆棧和中斷堆棧，而在uC/OS-II進(jìn)行任務(wù)切換是通過軟中斷0來實(shí)現(xiàn)的，因此，uC/OS-II的任務(wù)堆棧是M16C62中的中斷堆棧。在M16C62中，響應(yīng)中斷后堆棧的狀態(tài)如圖1所示：

圖1 響應(yīng)中斷后的堆棧狀態(tài)

中斷堆棧中依次保存程序計(jì)數(shù)器PC和標(biāo)志寄存器FLG中的內(nèi)容，因此，在OSTaskStkInit（）函數(shù)中就是要模擬這樣的一個(gè)壓棧過程。先壓入FLAG的高四位和PC指針的高四位，接著壓入FLAG低位、PC中間八位和PC的低八位。在保存完P(guān)C和FLAG位后就應(yīng)該為CPU的寄存器FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1和R0分配相應(yīng)存儲(chǔ)空間。OSTaskInit（）函數(shù)返回的是任務(wù)堆棧的指針。

2、多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以M16C62單片機(jī)為CPU，以u(píng)C/OS-II為操作系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個(gè)基于SPI總線的溫度傳感器（DS1722）、一個(gè)基于I2C總線的實(shí)時(shí)鐘（X1226）、一個(gè)LCD（JM202A）和鍵盤。M16C62工作在微處理器模式，片外擴(kuò)展一個(gè)32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構(gòu)成的存儲(chǔ)器。多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)資源分配和多任務(wù)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

（1）、M16C62單片機(jī)資源分配

M16C62單片機(jī)是一個(gè)16位單片機(jī)，線性尋址空間是1M，但片內(nèi)的RAM大小只有3Kbyte，因此要使多任務(wù)系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作必須合理分配資源。uC/OS-II中所有內(nèi)核代碼必須在RAM區(qū)而把系統(tǒng)堆棧區(qū)劃塊到3K RAM 區(qū)外。通過對(duì)Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個(gè)M16C62配置文件，可以完成對(duì)單片機(jī)的資源劃分。NC30編譯器一開始就會(huì)編譯Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個(gè)文件，完成對(duì)CPU的初始化，和資源分配，主要包括：存儲(chǔ)器空間、RAM區(qū)分配、中斷向量分配、堆棧區(qū)劃分等。

（2）、多任務(wù)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中除了uC/OS-II的空閑任務(wù)外，還包括實(shí)時(shí)鐘任務(wù)、溫度采集任務(wù)和鍵盤中斷任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。實(shí)時(shí)鐘主要是能精確記錄系統(tǒng)的日期，任務(wù)優(yōu)先級(jí)為10，該任務(wù)處于一直工作狀態(tài)；溫度采集任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為20，主要是完成溫度數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)是在溫度發(fā)生較大變化的時(shí)候記錄當(dāng)時(shí)的時(shí)間和溫度，任務(wù)優(yōu)先級(jí)為30，在一般情況下這個(gè)任務(wù)是處在掛起狀態(tài)，一旦溫度變動(dòng)超過預(yù)置范圍，溫度采集任務(wù)就會(huì)發(fā)出一個(gè)有效信號(hào)量使處于掛起態(tài)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。鍵盤中斷任務(wù)是通過M16C62的鍵盤中斷來完成參數(shù)的設(shè)定，該任務(wù)以一個(gè)中斷處理函數(shù)的形式來完成的。系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流圖

3、結(jié)束語(yǔ)

把uC/OS-II移植到M16C62單片機(jī)中，并以M16C62單片機(jī)為微處理器構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)與51系列單片機(jī)來說也要簡(jiǎn)單，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。以M16C62為微處理器，以u(píng)C/OS-II為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)成的多任務(wù)系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用在小型實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，具有較好的應(yīng)用前景。