M16C62在uC/OS-II嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言

　　隨著微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識日益深入。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，人們對嵌入式的研究也有了長足的進(jìn)步?；谀硞€操作系統(tǒng)的實時、多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計合應(yīng)用成為單片機應(yīng)用的新的發(fā)展趨勢。

　　uC/OS是一個公開源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)，uC/OS-II是由uC/OS V1.1版升級而來，在原來版本的基礎(chǔ)上，uC/OS-II有了許多新功能，如：內(nèi)存管理；在任務(wù)建立、刪除、任務(wù)切換、時鐘節(jié)拍切換處理過程中，允許用戶調(diào)用自定義的函數(shù)；支持任務(wù)控制塊（TCB）功能擴展；能效驗各堆棧使用情況；以及其它一些新功能【2】。M16C62單片機是三菱公司在90年代末推出的新一代16位單片機，是目前應(yīng)用最廣泛的16位單片機之一。M16C族單片機融合了基于寄存器和基于存儲器型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似RISC的高速處理性能。M16C62單片機具有超低功耗、極強的抗干擾能力和很高的C語言編程效率等特點，片內(nèi)集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、異步通信通道、定時器等豐富的周邊功能電路模塊，非常適合應(yīng)用在小型實時、多任務(wù)、嵌入式系統(tǒng)中【1】。把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，就可以構(gòu)成一個實時多任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。下面就來談?wù)勅绾伟製C/OS-II移植到M16C62單片機中，并以此設(shè)計一個實時多任務(wù)系統(tǒng)。

　　1、uC/OS-II的移植

　　uC/OS-II采用完全占先式的實時內(nèi)核，最多可以管理56個任務(wù)，每個任務(wù)對應(yīng)一個不同的優(yōu)先級，因而，uC/OS-II操作系統(tǒng)并不支持時間片輪轉(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)行時間是可知的，也就是，uC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。另外，uC/OS-II中每個任務(wù)都有自己單獨的棧，每個棧的大小可以根據(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)先級更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務(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。

　?。?）、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)類型包括無符號整型、有符號整型、無符號字符型、有符號字符型等。因此，OS_CPU.H頭文件對這些類型進(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、堆棧的增長方向等一些簡單宏的定義。

　?。?）、OS-CPU-A.ASM文件

在OS-CPU-A.ASM文件中包含四個匯編語言的函數(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。要想運行最高優(yōu)先級任務(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句來實現(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（）【1】。在M16C62單片機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號軟件中斷地址指向OSCtxSW（）。對應(yīng)的中斷號為0。

　　OSInCtxSw（）用來在ISR中執(zhí)行切換功能。由于這個函數(shù)本身就是在中斷中被調(diào)用，因而，在中斷處理時寄存器的狀態(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（）這個函數(shù)時UC/OS-II所要求的時鐘基準(zhǔn)，即時鐘節(jié)拍，uC/OS-II的時鐘節(jié)拍頻率在10到100之間，通常為了計算方便而設(shè)為整數(shù)。在M16C62中有多個定時計數(shù)器可以選擇用來作為系統(tǒng)的時鐘基準(zhǔn)。在該系統(tǒng)中利用時鐘定時器A0來產(chǎn)生頻率為100的一個時鐘節(jié)拍。OSTickISR（）是一個中斷響應(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（），對應(yīng)的中斷向量號是21【4】。
（3）、OS_CPU_C.C文件

　　在這個C文件中包含6個簡單的C函數(shù)，而這6個函數(shù)中和移植關(guān)系最密切的OSTaskInit（）函數(shù)，這個函數(shù)是用來創(chuàng)建一個任務(wù)堆棧。OSTaskCreat（）和OSTaskExt（）就是通過調(diào)用這個函數(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)用一個軟中斷0來實現(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單片機中，系統(tǒng)分為兩個堆棧，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來實現(xiàn)的，因此，uC/OS-II的任務(wù)堆棧是M16C62中的中斷堆棧【1】。在M16C62中，響應(yīng)中斷后堆棧的狀態(tài)如圖（一）所示：

中斷堆棧中依次保存程序計數(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)存儲空間【3】。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

　　多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計是以M16C62單片機為CPU，以uC/OS-II為操作系統(tǒng)構(gòu)成一個實時多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個基于SPI總線的溫度傳感器（DS1722）、一個基于I2C總線的實時鐘（X1226）、一個LCD（JM202A）和鍵盤。M16C62工作在微處理器模式，片外擴展一個32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構(gòu)成的存儲器。多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：單片機資源分配和多任務(wù)設(shè)計兩個方面。

　?。?）、M16C62單片機資源分配

　　M16C62單片機是一個16位單片機，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Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個M16C62配置文件，可以完成對單片機的資源劃分。NC30編譯器一開始就會編譯Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個文件，完成對CPU的初始化，和資源分配，主要包括：存儲器空間、RAM區(qū)分配、中斷向量分配、堆棧區(qū)劃分等【5】【4】【6】。

　?。?）、多任務(wù)設(shè)計

　　該系統(tǒng)中除了uC/OS-II的空閑任務(wù)外，還包括實時鐘任務(wù)、溫度采集任務(wù)和鍵盤中斷任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)。實時鐘主要是能精確記錄系統(tǒng)的日期，任務(wù)優(yōu)先級為10，該任務(wù)處于一直工作狀態(tài)；溫度采集任務(wù)的優(yōu)先級為20，主要是完成溫度數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)存儲任務(wù)是在溫度發(fā)生較大變化的時候記錄當(dāng)時的時間和溫度，任務(wù)優(yōu)先級為30，在一般情況下這個任務(wù)是處在掛起狀態(tài)，一旦溫度變動超過預(yù)置范圍，溫度采集任務(wù)就會發(fā)出一個有效信號量使處于掛起態(tài)的數(shù)據(jù)存儲任務(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（二）所示。

　　3、結(jié)束語

　　把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以M16C62單片機為微處理器構(gòu)成一個實時多任務(wù)系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)設(shè)計簡潔、硬件結(jié)構(gòu)相對與51系列單片機來說也要簡單，而且具有較強的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。以M16C62為微處理器，以uC/OS-II為實時操作系統(tǒng)構(gòu)成的多任務(wù)系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用在小型實時多任務(wù)系統(tǒng)中，具有較好的應(yīng)用前景。

圖（二）：系統(tǒng)主程序流圖