基于MSP430F149的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)

1 rtos的基本概念

實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（rtos-real time operating system）是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的。實(shí)時(shí)是指物理進(jìn)程的真實(shí)時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是指具有實(shí)時(shí)性，能支持實(shí)時(shí)控制系 統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，重要特點(diǎn)是要滿足對(duì)時(shí)間的限制和要求。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)(task)有四種狀態(tài)：運(yùn)行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)，休眠(dormant)。

運(yùn)行：獲得cpu控制權(quán)。

就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列。通過(guò)調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒。從而轉(zhuǎn)為就 緒或運(yùn)行。

休眠：任務(wù)完成或錯(cuò)誤等原因被清除的任務(wù)。也可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存在了的任務(wù)。

某一時(shí)刻，系統(tǒng)中只能有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)。各任務(wù)按級(jí)別通過(guò)時(shí)間片分別獲得對(duì)cpu的訪問(wèn)權(quán)。

rtos內(nèi)核按照任務(wù)的調(diào)度機(jī)制可以分為兩種：一種是占先式內(nèi)核，一種是非占先式內(nèi)核。

占先式內(nèi)核：當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)正在運(yùn)行時(shí)，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，那么rtos就會(huì)把低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)掛起，來(lái)運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。等高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行了一個(gè)循環(huán)掛起之后，再回到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。也就是說(shuō)，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高，響應(yīng)起來(lái)越及時(shí)。 非占先式內(nèi)核：當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在運(yùn)行時(shí)，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，rtos不會(huì)把cpu切換給高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，必須等低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行了一個(gè)循環(huán)掛起之后，再由rtos根據(jù)所有就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)判斷將cpu切到哪個(gè)任務(wù)。

絕大多數(shù)商業(yè)rtos, 以及著名的開(kāi)放源碼的uc/os-ii操作系統(tǒng)，都采用的是占先式內(nèi)核，它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性要比非占先式內(nèi)核高。

在rtos中，一般情況下，每個(gè)任務(wù)都一無(wú)限循環(huán)，每循環(huán)一次，任務(wù)掛起一段時(shí)間，以供調(diào)度程序把這段時(shí)間交給優(yōu)先級(jí)更高的其它就緒任務(wù)，讓其它任務(wù)運(yùn)行(如圖1)。當(dāng)所有任務(wù)都掛起時(shí)，rtos把任務(wù)切到空閑任務(wù)來(lái)執(zhí)行。

空閑任務(wù)是一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，它一般是一個(gè)空的循環(huán)，優(yōu)先級(jí)最低，也從來(lái)不會(huì)掛起。

2 在msp430上使用rtos的意義
一般的觀點(diǎn)認(rèn)為，msp430上使用rtos是沒(méi)有意義的。這是可以理解的，因?yàn)閙sp430的硬件資源有限(以msp430f149為例，只有2kram),任何商業(yè)操作系統(tǒng)都不可能移植到msp430上。目前在msp430上得到應(yīng)用的rtos，只有 uc/os-ii，但使用uc/os-ii 必須有昂貴的c編譯器，這嚴(yán)重限制了其在msp430上的使用。

正是基于以上情況，筆者在應(yīng)用msp430過(guò)程中，編寫(xiě)了一個(gè)基于msp430f149的rtos，暫定名為m430/os。它占用ram量少、代碼短小，稍加改動(dòng)就可適用于大多數(shù)其它msp430單片機(jī)。

在msp430單片機(jī)系統(tǒng)上使用m430/os，對(duì)系統(tǒng)有以下意義：

1） 實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的模塊化。可將不同的功能模塊編制成相應(yīng)的任務(wù)，由操作系統(tǒng)按級(jí)別調(diào)用，不必為先執(zhí)行哪個(gè)功能、后執(zhí)行哪個(gè)功能而費(fèi)神。

2） 更能合理、有效地利用cpu有限的資源。按任務(wù)的重要程度安排任務(wù)的級(jí)別，能夠保證最重要的任務(wù)執(zhí)行得最及時(shí)。

3） 大大降低系統(tǒng)故障率。低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)發(fā)生阻塞時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的的任務(wù)的執(zhí)行不受影響。

3 m430/os在msp430f149上的實(shí)現(xiàn)
3.1 功能特點(diǎn)
m430/os有以下特點(diǎn)：

1） 采用占先式內(nèi)核，即高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)"搶"回cpu控制權(quán)；

2） 每個(gè)任務(wù)都單獨(dú)開(kāi)辟一個(gè)任務(wù)棧；

3） 每個(gè)任務(wù)占十幾到幾百個(gè)字節(jié)的任務(wù)堆棧，任務(wù)棧的大小可以根據(jù)任務(wù)中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、局部變量和嵌套調(diào)用的情況估算；

4） 每個(gè)任務(wù)各占一個(gè)優(yōu)先級(jí),不支持兩個(gè)任務(wù)有相同的優(yōu)先級(jí)；

5） 不支持信號(hào)量、郵箱功能；

6） 任務(wù)狀態(tài)只有三種：運(yùn)行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)；

7） 系統(tǒng)占用ram量=（（任務(wù)個(gè)數(shù)+1）×4）+6個(gè)字節(jié)，不包括任務(wù)堆棧；

8） 代碼量少，目前版本的代碼共有87行匯編代碼，256字節(jié)目標(biāo)代碼；

9） 理論最多支持126個(gè)任務(wù)；

10） 任務(wù)鎖定功能：在一段低優(yōu)先級(jí)的代碼中，不想讓操作系統(tǒng)把cpu權(quán)切換到別的任務(wù)，這時(shí)可以把這代碼鎖定，在運(yùn)行這段碼時(shí)，就不會(huì)引起任務(wù)切換；

11） 任務(wù)喚醒功能：在一個(gè)任務(wù)中產(chǎn)生一個(gè)的事件來(lái)觸發(fā)其它任務(wù)運(yùn)行（如果被觸發(fā)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高的話，就會(huì)馬上運(yùn)行）。

3.2 系統(tǒng)函數(shù)介紹
1） os_init：多任務(wù)初始化，進(jìn)行任務(wù)棧（任務(wù)棧的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3）、任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)、任務(wù)狀態(tài)的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)直接切換到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，多任務(wù)系統(tǒng)啟動(dòng)。

2） os_time_dly：把當(dāng)前任務(wù)掛起一段指定時(shí)間讓其它任務(wù)運(yùn)行。

3） os_sched：任務(wù)調(diào)度，它先把每個(gè)任務(wù)的延時(shí)數(shù)減1，然后再找出最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，并切換到這個(gè)就緒任務(wù)。如果無(wú)就緒任務(wù)，就切換到空閑任務(wù)。

4） os_free_task：空閑任務(wù)，是一個(gè)很重要的系統(tǒng)任務(wù)，當(dāng)所有任務(wù)都掛起時(shí)，來(lái)運(yùn)行此任務(wù)。它主要是對(duì)一個(gè)計(jì)數(shù)器free_count一直進(jìn)行累加，用戶可以根據(jù)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算出cpu的利用率來(lái)。

5） os_task_lock：鎖定任務(wù)調(diào)度，禁止任務(wù)調(diào)度。主要用來(lái)鎖定在低優(yōu)先級(jí)中的一些為可重入的代碼或一些重要代碼。 6） os_task_unlock：解鎖任務(wù)調(diào)度，和上面的子程序功能相反。

7） os_task_wakeup：?jiǎn)拘阎付▋?yōu)先級(jí)的任務(wù)，并產(chǎn)生一次任務(wù)調(diào)度，如果被喚醒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高，就會(huì)任務(wù)切換到被喚醒的任務(wù)中，否則等待下一個(gè)調(diào)度時(shí)機(jī)。

3.3 主要功能的實(shí)現(xiàn)
a) 任務(wù)初始化

系統(tǒng)加電運(yùn)行后，首先對(duì)硬件資源進(jìn)行初始化，接著就要對(duì)多任務(wù)進(jìn)行初始化了。主要是初始化每個(gè)任務(wù)的任務(wù)棧、每個(gè)任務(wù)的時(shí)鐘滴數(shù)和堆棧指針位置。我們把每個(gè)任務(wù)棧都初始化成圖2形式：

任務(wù)棧的初始化如下程序（r11是用來(lái)初始任務(wù)堆棧的一個(gè)指針，r10是一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器）：

mov.w #(棧底 + 2) , r11

clr.w task_tick(r10) 清0時(shí)鐘滴嗒數(shù)

mov.w #任務(wù)首地址 , 0(r11) 把任務(wù)地址壓入堆棧

mov.w sr , -2(r11) 把標(biāo)志寄存器放入任務(wù)棧

mov.w r11 , task_sp(r10)

sub.w #現(xiàn)場(chǎng)所占的字節(jié)數(shù) , task_sp(r10) sp位置放入堆棧

初始化完任務(wù)棧之后，就把堆棧指針指向最高任務(wù)先級(jí)任務(wù)棧的任務(wù)首地址處，再執(zhí)行ret返回，這樣，多任務(wù)就啟動(dòng)開(kāi)了。如下程序：

mov.w #09feh , sp 最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)棧任務(wù)首地址位置

ret 返回到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)

任務(wù)初始化的流程見(jiàn)圖3。

時(shí)鐘節(jié)拍由msp430f149的timera產(chǎn)生，timera工作于上升模式，ccr0中是timera計(jì)數(shù)最大值。timera初始化代碼如下：

bis.w #(tassel1+taclr+mc_1),&tactl

mov.w 2(sp),&ccr0 計(jì)數(shù)最大值，此值決定時(shí)鐘節(jié)拍

bis.w #ccie,&cctl0

c) 任務(wù)調(diào)度

應(yīng)用程序調(diào)用os_init進(jìn)行初始化后，直接切換到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

每個(gè)任務(wù)在運(yùn)行一個(gè)循環(huán)后執(zhí)行os_time_dly掛起。這是通過(guò)把該任務(wù)的延時(shí)數(shù)填到該任務(wù)的task_tick中，然后再執(zhí)行任務(wù)調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)的。

任務(wù)調(diào)度就是在定時(shí)中斷時(shí)對(duì)所有任務(wù)的task_tick減1，然后再接優(yōu)先級(jí)高低的順序查找task_tick減到0的任務(wù)，并直接跳到任務(wù)切換程序。

下面的一段是任務(wù)切換程序（r10的內(nèi)容是就緒任務(wù)的標(biāo)志，由調(diào)度程序找出）：

pushall 把當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)入棧

mov.b now_task,r11 當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志放r11

mov.w sp,task_sp(r11) 保存當(dāng)前任務(wù)堆棧指針

mov.b r10,now_task 就緒任務(wù)標(biāo)志變?yōu)楫?dāng)前任務(wù)標(biāo)志

mov.w task_sp(r10),sp 就緒任務(wù)的任務(wù)棧指針?lè)湃雜p

;此時(shí)再進(jìn)行堆棧操作就是對(duì)就緒任務(wù)的任務(wù)棧操作了。

popall 把就緒任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)出棧

reti 模擬中斷返回，返回到就緒任務(wù)

任務(wù)調(diào)度的調(diào)度時(shí)機(jī)有兩種：一種是在任務(wù)掛起時(shí)，一種是定時(shí)中斷。任務(wù)掛起時(shí)的任務(wù)調(diào)度一定會(huì)引起任務(wù)切換，定時(shí)中斷就不一定引起任務(wù)切換了。因?yàn)槿绻途w任務(wù)是當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)時(shí)不會(huì)引起切換。正是如此，任務(wù)調(diào)度是rtos中執(zhí)行得最頻繁的一個(gè)功能，也是最重要的一個(gè)功能，所以必須盡量縮減其代碼量，盡量用可靠的調(diào)度算法來(lái)減少任務(wù)調(diào)度所占的時(shí)間。這個(gè)子程序的流程見(jiàn)圖4。

任務(wù)的加鎖與解鎖是為了使一些在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的不可重入代碼或?qū)?shí)時(shí)性要求較高的i/o操作在執(zhí)行中不產(chǎn)生任務(wù)切換，這項(xiàng)功能是通過(guò)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)調(diào)度程序檢查到任務(wù)被鎖定時(shí)，就算有就緒任務(wù)也必須等開(kāi)鎖之后才能切換。

如果系統(tǒng)突然產(chǎn)生一個(gè)事件要某個(gè)掛起的任務(wù)來(lái)處理，可以在事件產(chǎn)生的程序中調(diào)用任務(wù)喚醒。它的原理是把task_tick清0，然后執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度，如果這個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，就直接切換到這個(gè)任務(wù)里執(zhí)行了。

總結(jié)：m430/os已在筆者開(kāi)發(fā)的基于msp430f149的系統(tǒng)上得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該操作系統(tǒng)稍加改動(dòng)，就可應(yīng)用于其它msp430單片機(jī)。當(dāng)然，它的功能還是很有限的，也可能還存在一些尚未暴露的問(wèn)題，但無(wú)論如何，它向我們證明，在msp430單片機(jī)系統(tǒng)中使用rtos是完全可能的。