uC/OS-II的任務(wù)切換機理及中斷調度優(yōu)化

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統 μC/OS MSP430 中斷 堆棧

引 言

　　在嵌入式操作系統領(lǐng)域，由Jean J. Labrosse開(kāi)發(fā)的μC/OS，由于開(kāi)放源代碼和強大而穩定的功能，曾經(jīng)一度在嵌入式系統領(lǐng)域引起強烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統會(huì )議（美國）的顧問(wèn)委員會(huì )的成員。

　　不管是對于初學(xué)者，還是有經(jīng)驗的工程師，μC/OS開(kāi)放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過(guò)對于系統內部結構的深入了解，能更加方便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調試；并且在這種條件下，完全可以按照設計要求進(jìn)行合理的裁減、擴充、配置和移植。通常，購買(mǎi)RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學(xué)習者望而卻步；而μC/OS對于學(xué)校研究完全免費，只有在應用于盈利項目時(shí)才需要支付少量的版權費，特別適合一般使用者的學(xué)習、研究和開(kāi)發(fā)。自1992第1版問(wèn)世以來(lái)，已有成千上萬(wàn)的開(kāi)發(fā)者把它成功地應用于各種系統，安全性和穩定性已經(jīng)得到認證，現已經(jīng)通過(guò)美國FAA認證。

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) 是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進(jìn)出的前導、時(shí)鐘節拍、任務(wù)調度、事件處理等多部分。能夠維持系統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、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務(wù)為基本單位調度的，所以這部分內容也相當重要。

　　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，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪(fǎng)問(wèn)。

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

2 對于MSP430的中斷處理

2.1 函數調用和中斷調用的操作

　　MSP430最常使用的C編譯器應該就是IAR Embedd-ed WorkBench。對于這一編譯器來(lái)說(shuō)，通過(guò)分析和研究，發(fā)現它有以下規律。

(1)函數調用

　　如果是函數級調用，編譯器會(huì )在函數調用時(shí)先把當前函數PC壓棧，然后調用函數，PC值改變。

如果被調用的函數帶有參數，那么，編譯器按照以下的規則進(jìn)行。

　　最左邊的兩個(gè)參數如果不是struct（結構體）或者union（聯(lián)合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數剩下的參數都將被壓棧。根據最左邊的那兩個(gè)參數的類(lèi)型，分別賦值給R12（對于32位類(lèi)型賦值給R12:R13）和R14(對于32位類(lèi)型賦值給R14:R15)。

(2)中斷調用

　　如果是在中斷中調用中斷服務(wù)子程序的話(huà)，編譯器將把當前執行語(yǔ)句的PC壓棧，同時(shí)再把SR壓棧。接著(zhù)，根據中斷服務(wù)子程序的復雜程度，選擇把R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執行中斷服務(wù)子程序。中斷處理結束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統恢復到中斷前的狀態(tài)，使程序接著(zhù)被中斷的部分繼續運行。

圖3 中斷發(fā)生時(shí)的任務(wù)棧壓棧操作

2.2 任務(wù)級和中斷級的任務(wù)切換步驟和原理

(1)任務(wù)級的任務(wù)切換原理

　　 μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)的操作系統，在沒(méi)有用戶(hù)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 )調用OSSched()函數。函數的結構如下：

void OSSched(void){

關(guān)中斷

如果（不是中斷嵌套并且系統可以被調度）{

確定優(yōu)先級最高的任務(wù)

如果（最高級的任務(wù)不是當前的任務(wù)）{

調用OSCtxSw();

}

}

開(kāi)中斷

}

　　我們把這個(gè)函數稱(chēng)作任務(wù)調度的前導函數。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)調度，則調用OSCtxSw()。這個(gè)函數是真正實(shí)現任務(wù)調度的函數。由于期間要對堆棧進(jìn)行操作，所以OSCtxSw()一般用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成。它將正在運行的任務(wù)的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把R4~R15壓棧。接著(zhù)把當前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高優(yōu)先級的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(zhù)使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡(jiǎn)單地說(shuō)，μC/OS-II切換到最高優(yōu)先級的任務(wù)，只是恢復最高優(yōu)先級任務(wù)所有的寄存器并運行中斷返回指令（RETI），實(shí)際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。

(2)中斷級的任務(wù)切換原理

　　μC/OS-II的中斷服務(wù)子程序和一般前后臺的操作有少許不同，往往需要這樣操作：

保存全部CPU寄存器

調用OSIntEnter()或OSIntNesting++

開(kāi)放中斷

執行用戶(hù)代碼

關(guān)閉中斷

調用OSIntExit();

恢復所有CPU寄存器

RETI

　　OSIntEnter()就是將全局變量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中斷嵌套層數的變量。μC/OS-II通過(guò)它確保在中斷嵌套的時(shí)候，不進(jìn)行任務(wù)調度。執行完用戶(hù)的代碼后，μC/OS-II調用OSIntExit()，一個(gè)與OSSched()很像的函數。在這個(gè)函數中，系統首先把OSIntNesting減1，然后判斷是否中斷嵌套。如果不是的話(huà)，并且當前任務(wù)不是最高優(yōu)先級的任務(wù)，那么找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，執行OSIntCtxSw()這一出中斷任務(wù)切換函數。因為，在這之前已經(jīng)做好了壓棧工作；在這個(gè)函數中，要進(jìn)行R15~R4的出棧工作。而且，由于在之前調用函數的時(shí)候，可能已經(jīng)有一些寄存器被壓入了堆棧。所以要進(jìn)行堆棧指針的調整，使得能夠從正確的位置出棧。

3 使用μC/OS-II存在的問(wèn)題和解決方法

　　由于μC/OS-II在應用的時(shí)候會(huì )占用單片機上的一些資源，如系統時(shí)鐘、RAM、Flash或者ROM，從而減少了用戶(hù)程序對資源的利用。對于MSP430來(lái)說(shuō)，RAM的占用是特別突出的問(wèn)題。對于8、16位的單片機來(lái)說(shuō)，片內的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片內RAM也只有2KB，例如MSP430F149）。如果使用擴展內存，會(huì )大大增加設計難度。

　　通過(guò)對μC/OS-II的分析可以得知，μC/OS-II占用的RAM主要是用在每個(gè)任務(wù)的TCB、每個(gè)任務(wù)的堆棧等方面。通過(guò)進(jìn)一步分析，發(fā)現任務(wù)堆棧大的原因是因為MSP430的硬件設計中沒(méi)有把中斷堆棧和任務(wù)堆棧分開(kāi)。這樣就造成了在應用μC/OS-II的時(shí)候，考慮每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧大小時(shí)，不單單需要計算任務(wù)中局部變量和函數嵌套層數，還需要考慮中斷的最大嵌套層數。因為，對于μC/OS-II原始的中斷處理的設計、中斷處理過(guò)程中的中斷嵌套中所需要壓棧的寄存器大小和局部變量的內存大小，都需要算在每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，則對于每一個(gè)任務(wù)都需要預留這一部分內存，所以大量的RAM被浪費。從這里可以看出，解決這一問(wèn)題的直接方法就是把中斷堆棧和每個(gè)任務(wù)自己的堆棧分開(kāi)。這樣，在計算每個(gè)任務(wù)堆棧的時(shí)候，就不需要把中斷處理中（包括中斷嵌套過(guò)程中）的內存的占用計算到每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，只需要計算每個(gè)任務(wù)本身需要的內存大小，從而提高了RAM的利用率，可以緩解內存緊張的問(wèn)題。

　　在這種設計方案中，中斷堆棧區也就是利用原有的MSP430中的系統堆棧區。在前后臺的設計形式中，中斷中的壓棧和出棧的操作都是在系統的堆棧區完成的?；讦藽/OS-II的任務(wù)切換的原理，我們對于任務(wù)堆棧的功能和系統堆棧的功能做了以下劃分：任務(wù)在運行過(guò)程中產(chǎn)生中斷和任務(wù)切換的時(shí)候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各個(gè)任務(wù)自己的任務(wù)堆棧中；而中斷嵌套產(chǎn)生的壓棧和出棧的操作都是放在系統堆棧中進(jìn)行的。這種劃分方式是基于盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開(kāi)的思想設計的。

　　從前面對于IAR EW的默認操作分析來(lái)看，堆棧的結構可以有兩種。一種是把μC/OS-II的任務(wù)堆棧設計成圖1所示的形式。這種方法是把編譯器默認的壓棧操作放在前面，然后再把剩下的寄存器進(jìn)棧。但是，由于編譯器在處理復雜程度不同的中斷服務(wù)程序的時(shí)候，壓入棧的寄存器的數量不定，所以會(huì )對以后其余寄存器的壓棧和出棧操作增加復雜度。這里，我們采用了圖2所示的方式生成堆棧。在這種堆棧中，PC和SR壓棧后，通過(guò)調整SP指針，使得R4~R15寄存器覆蓋編譯器默認壓棧的寄存器。這樣，處理的難度會(huì )小一點(diǎn)。

　　對于這樣的設計方式，CPU必須能夠：

◆ 有相應的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能，能使用相應的指令來(lái)完成類(lèi)似SP的一些操作；

◆ 作為SP使用的寄存器在編譯過(guò)程中最好不被編譯器默認使用。在IAR的編譯器中，有一個(gè)選項可以避免在編譯過(guò)程中使用到R4、R5。

　　這兩點(diǎn)MSP430都可以做到。

　　 下面對一個(gè)正在運行的優(yōu)先級為6的任務(wù)中斷后，會(huì )發(fā)生的幾種情況進(jìn)行分析。

　　 1）在中斷的處理過(guò)程中沒(méi)有更高優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生，即不會(huì )產(chǎn)生中斷嵌套。

　　圖3所示為中斷發(fā)生后對于任務(wù)優(yōu)先級為6的任務(wù)堆棧所進(jìn)行的操作。中斷發(fā)生后，PC和SR被系統壓棧②，對于IAR C編譯器來(lái)說(shuō)，會(huì )按照復雜度不同的中斷服務(wù)程序的要求，默認地進(jìn)行一些寄存器的壓棧操作③。因為我們要求的堆棧格式是如圖2所示的，我們要把SP調整到SR后面④，然后進(jìn)行R4~R15的壓棧操作，形成我們所要求的堆棧格式⑤。

　　進(jìn)行任務(wù)堆棧的壓棧工作以后，就可以調整SP的指針到系統堆棧了，如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個(gè)壓棧內容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級6任務(wù)的TCB->OSTCBStkPtr，以便進(jìn)行任務(wù)調度的時(shí)候出棧使用②。接著(zhù)，就把SP調整到系統堆棧處③。在中斷處理過(guò)程中，可能會(huì )出現壓棧的操作，那么這種情況下SP的指針會(huì )隨之移動(dòng)。由于現在是中斷堆棧中，所以不會(huì )破壞任務(wù)堆棧的格式。

　　由于沒(méi)有中斷嵌套，在中斷處理中沒(méi)有別的中斷發(fā)生，那么返回的步驟和上述的進(jìn)棧操作正好相反。在中斷處理完了以后，SP會(huì )自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著(zhù)，系統會(huì )查詢(xún)到優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧，進(jìn)行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。因為我們把所有的任務(wù)堆棧都規定成相同的格式，所以它們之間不會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。這里需要注意的是，因為系統在C編譯器的中斷處理中會(huì )對中斷進(jìn)入時(shí)默認壓棧的寄存器出棧，所以在設計出棧的程序時(shí)，要先把這些內容壓棧，這樣才能正確出棧。

　　2）在中斷的處理過(guò)程中，有別的中斷產(chǎn)生，產(chǎn)生中斷嵌套。

　　如圖5所示，由于在處理中斷的時(shí)候，SP已經(jīng)被移到系統堆棧去了，只有當中斷退出的時(shí)候才可能把SP移到別的任務(wù)的任務(wù)堆棧中。所以在中斷的時(shí)候進(jìn)行中斷嵌套，那么對于中斷的處理和第一次是一樣的，所不同的是，這次保存在堆棧中的不是任務(wù)運行中的寄存器，而是中斷處理中的寄存器，而且是保存在系統堆棧中而不是任務(wù)堆棧中。從這里就可以看出優(yōu)化內存的效果。所有的中斷嵌套中的寄存器壓棧都壓在系統堆棧中，這樣對于任務(wù)堆棧內存大小的要求大大降低。

　　因為μC/OS-II在進(jìn)入中斷中，會(huì )把全局變量OSIntNesting++；在退出中斷的時(shí)候，又會(huì )把OSIntNesting--。在退出中斷進(jìn)行任務(wù)切換之前，μC/OS-II會(huì )先判斷OSIntNesting是否為0，是0才會(huì )進(jìn)行任務(wù)調度。當第二中斷運行結束以后，退出中斷嵌套的時(shí)候，OSIntNesting不為0，也就不會(huì )進(jìn)行任務(wù)調度。因此，仍舊在系統堆棧出棧，那么系統會(huì )繼續前面沒(méi)有完成的中斷服務(wù)程序。

　　接著(zhù)退出中斷的順序和非中斷嵌套的順序是一樣的。在中斷處理完以后，SP會(huì )自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著(zhù)，系統會(huì )查詢(xún)到優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧。進(jìn)行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。

　　中斷的情況基本上就是上述兩種。對于有些文獻中提到的在中斷中會(huì )調度到更高優(yōu)先級的任務(wù)的情況，筆者覺(jué)得是不應該發(fā)生的。因為從上面的分析可以看出，默認的（μC/OS-II的設計思路）中斷處理會(huì )同時(shí)對全局變量OSIntNesting進(jìn)行增減處理，以給出是否需要任務(wù)調度的條件。那么即使在中斷服務(wù)程序中把更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，也會(huì )等到中斷退出以后再進(jìn)行調度，除非是在中斷中直接調用更高優(yōu)先級的任務(wù)函數。但這種方法應該是和μC/OS-II的原則相違背的，沿用的是以前前后臺設計的思路。

　　對于這樣的設計方式，時(shí)鐘節拍的處理方式必須和一般的中斷處理方式是一樣的。一般來(lái)說(shuō)，MSP430使用WATCHDOG時(shí)鐘中斷作為時(shí)鐘節拍的產(chǎn)生源。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘節拍本身也是中斷處理過(guò)程，所以對于時(shí)鐘節拍的處理應該和其它的中斷處理過(guò)程相同。實(shí)際上，在時(shí)鐘節拍的處理過(guò)程中也可能會(huì )存在中斷嵌套的問(wèn)題。

　　中斷堆棧和任務(wù)堆棧分離設計的程序流程如圖6所示。

4 幾點(diǎn)建議

　?、?編寫(xiě)中斷程序的時(shí)候，有條件盡量使用匯編語(yǔ)言。因為這樣可以避免一些編譯器自己進(jìn)行的操作，減少指針調整的次數。

　?、?在用C編寫(xiě)中斷服務(wù)的時(shí)候，因為有些功能必須調用匯編的函數才能實(shí)現。調用函數時(shí)，有些時(shí)候壓棧的PC會(huì )破壞堆棧的結構。這個(gè)時(shí)候需要把堆棧進(jìn)行適當的調整，保證堆棧格式的正確。

　?、?中斷處理過(guò)程中調用OSIntExit()的時(shí)候，由于 μC/OS-II的原始設計中SP指針有時(shí)是不調整的，所以在OSIntExit()返回了以后，還要判斷一下是否中斷嵌套。因為有的時(shí)候是需要切換任務(wù)的。