μC/OS-II的任務(wù)切換機(jī)理及中斷調(diào)度優(yōu)化

引言

在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，由Jean J. Labrosse開發(fā)的μC/OS，由于開放源代碼和強(qiáng)大而穩(wěn)定的功能，曾經(jīng)一度在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強(qiáng)烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統(tǒng)會(huì)議（美國）的顧問委員會(huì)的成員。

不管是對(duì)于初學(xué)者，還是有經(jīng)驗(yàn)的工程師，μC/OS開放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入了解，能更加方便地進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試；并且在這種條件下，完全可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理的裁減、擴(kuò)充、配置和移植。通常，購買RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學(xué)習(xí)者望而卻步；而μC/OS對(duì)于學(xué)校研究完全免費(fèi)，只有在應(yīng)用于盈利項(xiàng)目時(shí)才需要支付少量的版權(quán)費(fèi)，特別適合一般使用者的學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。自1992第1版問世以來，已有成千上萬的開發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)得到認(rèn)證，現(xiàn)已經(jīng)通過美國FAA認(rèn)證。

1 μC/OS-II的幾大組成部分

μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

任務(wù)處理部分(OSTask.c) 任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)棣藽/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

時(shí)鐘部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問。

與CPU的接口部分 是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對(duì)于關(guān)鍵問題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

2 對(duì)于MSP430的中斷處理

2.1 函數(shù)調(diào)用和中斷調(diào)用的操作

MSP430最常使用的C編譯器應(yīng)該就是IAR Embedd-ed WorkBench。對(duì)于這一編譯器來說，通過分析和研究，發(fā)現(xiàn)它有以下規(guī)律。

(1) 函數(shù)調(diào)用

如果是函數(shù)級(jí)調(diào)用，編譯器會(huì)在函數(shù)調(diào)用時(shí)先把當(dāng)前函數(shù)PC壓棧，然后調(diào)用函數(shù)，PC值改變。

如果被調(diào)用的函數(shù)帶有參數(shù)，那么，編譯器按照以下的規(guī)則進(jìn)行。

最左邊的兩個(gè)參數(shù)如果不是struct（結(jié)構(gòu)體）或者union（聯(lián)合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數(shù)剩下的參數(shù)都將被壓棧。根據(jù)最左邊的那兩個(gè)參數(shù)的類型，分別賦值給R12（對(duì)于32位類型賦值給R12:R13）和R14(對(duì)于32位類型賦值給R14:R15)。

(2) 中斷調(diào)用

如果是在中斷中調(diào)用中斷服務(wù)子程序的話，編譯器將把當(dāng)前執(zhí)行語句的PC壓棧，同時(shí)再把SR壓棧。接著，根據(jù)中斷服務(wù)子程序的復(fù)雜程度，選擇把R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統(tǒng)恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)，使程序接著被中斷的部分繼續(xù)運(yùn)行。

2.2 任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)的任務(wù)切換步驟和原理

(1) 任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換原理

μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在沒有用戶自己定義的中斷情況下，任務(wù)間的切換步驟是這樣的：任務(wù)間的切換一般會(huì)調(diào)用OSSched()函數(shù)。函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：

void OSSched(void){

關(guān)中斷

如果（不是中斷嵌套并且系統(tǒng)可以被調(diào)度）{

確定優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)

如果（最高級(jí)的任務(wù)不是當(dāng)前的任務(wù)）{

調(diào)用OSCtxSw();

}

}

開中斷

}

我們把這個(gè)函數(shù)稱作任務(wù)調(diào)度的前導(dǎo)函數(shù)。它先判斷要進(jìn)行任務(wù)切換的條件，如果條件允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，則調(diào)用OSCtxSw()。這個(gè)函數(shù)是真正實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的函數(shù)。由于期間要對(duì)堆棧進(jìn)行操作，所以O(shè)SCtxSw()一般用匯編語言寫成。它將正在運(yùn)行的任務(wù)的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把R4~R15壓棧。接著把當(dāng)前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高優(yōu)先級(jí)的TCB->OSTCBStkPtr的值賦值給SP。這時(shí)候，SP就已經(jīng)指到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的任務(wù)堆棧了。然后進(jìn)行出棧工作，把R15~R4出棧。接著使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡單地說，μC/OS-II切換到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，只是恢復(fù)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所有的寄存器并運(yùn)行中斷返回指令（RETI），實(shí)際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。