μC/OS-II在凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A上的移植

關(guān)鍵詞：μC/OS-II 凌陽(yáng)單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng)

　　目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。μC/OS-II作為一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，由于其源碼公開、代碼規(guī)范，廣受開發(fā)人員的喜愛。SPCE061A是凌陽(yáng)公司繼μ’nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后新推出的一款16位單片機(jī)，內(nèi)部集成A/D、D/A等多種接口電路，能很方便地嵌入工業(yè)控制的各種場(chǎng)合。更重要的是，其內(nèi)嵌2K字的SRAM和32K的Flash ROM，因此，在不需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的情況下就可以實(shí)現(xiàn)μC/OS-II系統(tǒng)的移植。

1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹

　　μC/OS-II是一種專門為微控制器設(shè)計(jì)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它以源代碼的形式給出。其內(nèi)核主要提供進(jìn)程管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等服務(wù)。系統(tǒng)最多支持56個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)獨(dú)有的優(yōu)先級(jí)。由于其內(nèi)核為搶先式，所以總是處于運(yùn)行態(tài)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)占用CPU。系統(tǒng)提供了豐富的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信以及進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

2 μC/OS-II系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與移植

　　μC/OS-II的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看到，如果要使用μC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個(gè)文件。這三個(gè)文件是與芯片的硬件特性有關(guān)的，它們主要提供任務(wù)切換與系統(tǒng)時(shí)鐘的功能。其它文件用C寫成，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供任務(wù)管理、任務(wù)之間通信、時(shí)間管理以及內(nèi)存管理等功能。

　　眾所周知，μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)。既然是多任務(wù)，就需要解決任務(wù)切換的問題。任務(wù)切換是在進(jìn)行系統(tǒng)移植過程需要解決的最主要的問題。由于任務(wù)切換涉及到對(duì)芯片寄存器的操作，所以它主要用匯編語(yǔ)言寫成，因此，對(duì)于不同的單片機(jī)，其任務(wù)切換的代碼是不同的；但是只要理解其原理，就能舉一反三，以不變應(yīng)萬(wàn)變。下文將重點(diǎn)講解任務(wù)切換的原理。多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)每個(gè)任務(wù)好像獨(dú)立占用CPU一樣，因此系統(tǒng)必須為每個(gè)任務(wù)開辟一塊內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧。該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時(shí)CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。根據(jù)以上討論，可總結(jié)出在進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)需要完成的工作，主要步驟如下：

　?、?將當(dāng)前任務(wù)CPU所有的寄存器壓棧；

　?、?將CPU系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)全部拷貝到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)堆棧中；

　?、?得到下一個(gè)處于運(yùn)行態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧的指針；

　　④ 恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的CPU寄存器的值；

　　⑤ 恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的系統(tǒng)堆棧中的數(shù)據(jù)；

　　⑥ 通過中斷返回指令或函數(shù)返回指令，間接修改PC寄存器的值來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。

　　在為μCOS-II編寫任務(wù)切換代碼時(shí)需要注意的是：μCOS-II在每次發(fā)生中斷后都會(huì)產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度，但在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換，不能調(diào)用普通任務(wù)切換函數(shù)，這是因?yàn)樵谥袛噙^程中往往伴隨將CPU的狀態(tài)寄存器壓棧操作。以凌陽(yáng)單片機(jī)為例，在中斷后，芯片將PC和SR寄存器的值壓入堆棧，因此，在中斷結(jié)束后進(jìn)行的任務(wù)切換中必須對(duì)堆棧指針進(jìn)行調(diào)整。

　　在系統(tǒng)移植過程中另一個(gè)較為重要的部分是系統(tǒng)時(shí)鐘。μCOS-II要求系統(tǒng)能產(chǎn)生10~100Hz的時(shí)鐘節(jié)拍。該時(shí)鐘節(jié)拍由硬件定時(shí)器產(chǎn)生。仍以凌陽(yáng)單片機(jī)為例，可選用時(shí)基信號(hào)TMB2產(chǎn)生128Hz中斷，作為系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生源。系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)子程序用匯編語(yǔ)言寫成，由于其主要功能在用C編寫的子函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，因此，編寫該服務(wù)子程序的難度不大。

3 μC/OS-II BSP代碼的編寫

　　BSP（板級(jí)支持包）是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層，它對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的硬件。我們以凌陽(yáng)SPACE061A單片機(jī)為例介紹BSP代碼的編寫。

3.1 任務(wù)切換

　　凌陽(yáng)SPACE061A單片機(jī)有R1~R5 五個(gè)通用寄存器，還有1個(gè)SR（CPU狀態(tài)寄存器），再加上PC，總共有7個(gè)CPU內(nèi)部寄存器在任務(wù)切換時(shí)需要保存。μCOS-II系統(tǒng)調(diào)用OSCtxSw( )來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，下面給出其部分代碼：

_OSCtxSw:

PUSHALL // 將所有寄存器壓棧

OSIntCtxSw_in:

// 求出系統(tǒng)堆棧的長(zhǎng)度 ,并將其存入R2

R1=SP

R2=OSStkStart

R1+=1

R2=R2-R1

R1=[_OSTCBCμγ]// R1≤OSTCBStkPtr， R1 為任

//務(wù)堆棧的頭指針

R1=[R1] // 首先將系統(tǒng)堆棧長(zhǎng)度保存在任

//務(wù)堆棧中

[R1]=R2

R3=OSStkStart // 得到堆棧的起始地址

// 保存系統(tǒng)堆棧到任務(wù)堆棧

save_stack:

R3-=1

R1+=1

R4=[R3]

[R1]=R4

R2-=1

JNZ save_stack

CALL _OSTaskSwHook

R1=[_OSTCBHighRdy]

[_OSTCBCur]=R1

R1=[_OSPrioHighRdy]

[_OSPrioCur]=R1

JMP OSCtxSw_in

3.2 μCOS-II系統(tǒng)時(shí)鐘

　　以凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)的TMB2時(shí)基信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)鐘，每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的時(shí)間將產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)子程序中會(huì)調(diào)用OSTickISR()函數(shù)，匯編代碼如下：

_OSTickISR:

PUSHALL

R1=0x0001

test R1,[P_INT_Ctrl]

JZ OUT

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

CALL _OSIntEnter

CALL _OSTimeTick

CALL _OSIntExit

OUT:

R1=0x0001

[P_INT_Clear]=R1

POPALL

RETI

結(jié) 語(yǔ)

　　RTOS是當(dāng)今嵌入式應(yīng)用的熱點(diǎn)。應(yīng)用RTOS，可以提高產(chǎn)品的可靠性，降低研發(fā)周期。μCOS-II具有很好的實(shí)時(shí)性和很小的代碼量，因此掌握μCOS-II的移植方法是相當(dāng)重要的。本文移植修改的源代碼請(qǐng)參見本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）。