M16C62在uC/OS-II嵌入式系統中的應用

前言

　　隨著(zhù)微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò )的認識日益深入。網(wǎng)絡(luò )終端產(chǎn)品也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，嵌入式操作系統的應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(cháng)足的進(jìn)步?；谀硞€(gè)操作系統的實(shí)時(shí)、多任務(wù)系統的設計合應用成為單片機應用的新的發(fā)展趨勢。

　　uC/OS是一個(gè)公開(kāi)源代碼的嵌入式操作系統，uC/OS-II是由uC/OS V1.1版升級而來(lái)，在原來(lái)版本的基礎上，uC/OS-II有了許多新功能，如：內存管理；在任務(wù)建立、刪除、任務(wù)切換、時(shí)鐘節拍切換處理過(guò)程中，允許用戶(hù)調用自定義的函數；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構的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠實(shí)現類(lèi)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(yǔ)言編程效率等特點(diǎn)，片內集成了10位A/D轉換器、DMA控制器、異步通信通道、定時(shí)器等豐富的周邊功能電路模塊，非常適合應用在小型實(shí)時(shí)、多任務(wù)、嵌入式系統中【1】。把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，就可以構成一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)應用系統。下面就來(lái)談?wù)勅绾伟製C/OS-II移植到M16C62單片機中，并以此設計一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統。

　　1、uC/OS-II的移植

　　uC/OS-II采用完全占先式的實(shí)時(shí)內核，最多可以管理56個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)對應一個(gè)不同的優(yōu)先級，因而，uC/OS-II操作系統并不支持時(shí)間片輪轉調度法。但是全部UC/OS-II的函數調用與服務(wù)的執行時(shí)間是可知的，也就是，uC/OS-II系統服務(wù)的執行時(shí)間不依賴(lài)于應用程序任務(wù)的多少。另外，uC/OS-II中每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为毜臈?，每個(gè)棧的大小可以根據應用程序的需要進(jìn)行分配，這樣壓低了系統對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行，uC/OS-II的中斷嵌套可達255層。

　　uC/OS-II的源碼大部分是用可移植性很強的ANSI C 寫(xiě)的。只是和微處理器有關(guān)的很小一部分代碼是用匯編寫(xiě)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)的數據類(lèi)型，在M16C62中的數據類(lèi)型包括無(wú)符號整型、有符號整型、無(wú)符號字符型、有符號字符型等。因此，OS_CPU.H頭文件對這些類(lèi)型進(jìn)行全新的定義。除了和處理器有關(guān)的數據類(lèi)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(cháng)方向等一些簡(jiǎn)單宏的定義。

　?。?）、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：OSStartHighRdy()、OSCtxsw()、OSIntCtxsw（）、OSTickISR（）。在uC/OS-II中處于就緒態(tài)的任務(wù)的堆棧結構，看起來(lái)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)堆棧中恢復出來(lái)，并且通過(guò)一條中斷返回語(yǔ)句來(lái)實(shí)現任務(wù)的切換。因而，OSStartHighRdy()就是使要恢復的任務(wù)堆棧指針指到任務(wù)控制塊的0偏址的內存單元中。也就是要把保存在任務(wù)堆棧中的數據以及CPU寄存器,如R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB和FB返回到系統當前的寄存器中，并把當前堆棧指針指到PC指針的位置。

　　在uC/OS-II中任務(wù)的切換問(wèn)題是通過(guò)發(fā)軟件中斷命令或依靠處理器執行陷阱指令來(lái)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(guò)定義軟件中斷0來(lái)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（）。對應的中斷號為0。

　　OSInCtxSw（）用來(lái)在ISR中執行切換功能。由于這個(gè)函數本身就是在中斷中被調用，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)的堆棧內容才能正確返回。

　　OSTickISR（）這個(gè)函數時(shí)UC/OS-II所要求的時(shí)鐘基準，即時(shí)鐘節拍，uC/OS-II的時(shí)鐘節拍頻率在10到100之間，通常為了計算方便而設為整數。在M16C62中有多個(gè)定時(shí)計數器可以選擇用來(lái)作為系統的時(shí)鐘基準。在該系統中利用時(shí)鐘定時(shí)器A0來(lái)產(chǎn)生頻率為100的一個(gè)時(shí)鐘節拍。OSTickISR（）是一個(gè)中斷響應函數，因而必須在M16C62的中斷向量表中，A0的中斷向量應分配給OSTickISR（），對應的中斷向量號是21【4】。
（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，而這6個(gè)函數中和移植關(guān)系最密切的OSTaskInit（）函數，這個(gè)函數是用來(lái)創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)堆棧。OSTaskCreat（）和OSTaskExt（）就是通過(guò)調用這個(gè)函數來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結構的，由此看來(lái)，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(guò)調用一個(gè)軟中斷0來(lái)實(shí)現任務(wù)切換，通過(guò)中斷的返回指令使堆棧中的數據返回到CPU寄存器，使最高優(yōu)先級的任務(wù)占有CPU，因而，OSTaskInit（）函數要做的就是模擬中斷發(fā)生時(shí)處理器壓棧的過(guò)程，把CPU的寄存器內容壓到任務(wù)堆棧中。在M16C62單片機中，系統分為兩個(gè)堆棧，即：用戶(hù)堆棧和中斷堆棧，而在uC/OS-II進(jìn)行任務(wù)切換是通過(guò)軟中斷0來(lái)實(shí)現的，因此，uC/OS-II的任務(wù)堆棧是M16C62中的中斷堆?！?】。在M16C62中，響應中斷后堆棧的狀態(tài)如圖（一）所示：

中斷堆棧中依次保存程序計數器PC和標志寄存器FLG中的內容，因此，在OSTaskStkInit（）函數中就是要模擬這樣的一個(gè)壓棧過(guò)程。先壓入FLAG的高四位和PC指針的高四位，接著(zhù)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位后就應該為CPU的寄存器FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1和R0分配相應存儲空間【3】。OSTaskInit（）函數返回的是任務(wù)堆棧的指針。

　　2、多任務(wù)系統設計

　　多任務(wù)系統的設計是以M16C62單片機為CPU，以uC/OS-II為操作系統構成一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，系統包括一個(gè)基于SPI總線(xiàn)的溫度傳感器（DS1722）、一個(gè)基于I2C總線(xiàn)的實(shí)時(shí)鐘（X1226）、一個(gè)LCD（JM202A）和鍵盤(pán)。M16C62工作在微處理器模式，片外擴展一個(gè)32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構成的存儲器。多任務(wù)系統的設計主要包括：?jiǎn)纹瑱C資源分配和多任務(wù)設計兩個(gè)方面。

　?。?）、M16C62單片機資源分配

　　M16C62單片機是一個(gè)16位單片機，線(xiàn)性尋址空間是1M，但片內的RAM大小只有3Kbyte，因此要使多任務(wù)系統能正常穩定地工作必須合理分配資源。uC/OS-II中所有內核代碼必須在RAM區而把系統堆棧區劃塊到3K RAM 區外。通過(guò)對Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個(gè)M16C62配置文件，可以完成對單片機的資源劃分。NC30編譯器一開(kāi)始就會(huì )編譯Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個(gè)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區分配、中斷向量分配、堆棧區劃分等【5】【4】【6】。

　?。?）、多任務(wù)設計

　　該系統中除了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(pán)中斷任務(wù)和數據存儲任務(wù)。實(shí)時(shí)鐘主要是能精確記錄系統的日期，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，主要是完成溫度數據的采集；數據存儲任務(wù)是在溫度發(fā)生較大變化的時(shí)候記錄當時(shí)的時(shí)間和溫度，任務(wù)優(yōu)先級為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(guò)預置范圍，溫度采集任務(wù)就會(huì )發(fā)出一個(gè)有效信號量使處于掛起態(tài)的數據存儲任務(wù)轉為就緒態(tài)。鍵盤(pán)中斷任務(wù)是通過(guò)M16C62的鍵盤(pán)中斷來(lái)完成參數的設定，該任務(wù)以一個(gè)中斷處理函數的形式來(lái)完成的。系統的程序流程圖如圖（二）所示。

　　3、結束語(yǔ)

　　把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以M16C62單片機為微處理器構成一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，不僅系統設計簡(jiǎn)潔、硬件結構相對與51系列單片機來(lái)說(shuō)也要簡(jiǎn)單，而且具有較強的抗干擾能力和系統穩定性。以M16C62為微處理器，以uC/OS-II為實(shí)時(shí)操作系統構成的多任務(wù)系統能廣泛應用在小型實(shí)時(shí)多任務(wù)系統中，具有較好的應用前景。

圖（二）：系統主程序流圖