μC/OS-II在凌陽(yáng)單片機SPCE061A上的移植

關(guān)鍵詞：μC/OS-II 凌陽(yáng)單片機 嵌入式系統

　　目前，實(shí)時(shí)操作系統已廣泛應用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。μC/OS-II作為一個(gè)實(shí)時(shí)內核，由于其源碼公開(kāi)、代碼規范，廣受開(kāi)發(fā)人員的喜愛(ài)。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，內部集成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，其內嵌2K字的SRAM和32K的Flash ROM，因此，在不需要擴展外部存儲器的情況下就可以實(shí)現μC/OS-II系統的移植。

1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統介紹

　　μC/OS-II是一種專(zhuān)門(mén)為微控制器設計的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，它以源代碼的形式給出。其內核主要提供進(jìn)程管理、時(shí)間管理、內存管理等服務(wù)。系統最多支持56個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)獨有的優(yōu)先級。由于其內核為搶先式，所以總是處于運行態(tài)最高優(yōu)先級的任務(wù)占用CPU。系統提供了豐富的API函數，實(shí)現進(jìn)程之間的通信以及進(jìn)程狀態(tài)的轉化。

2 μC/OS-II系統結構分析與移植

　　μC/OS-II的軟件體系結構如圖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(xiě)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)切換與系統時(shí)鐘的功能。其它文件用C寫(xiě)成，它們?yōu)橄到y提供任務(wù)管理、任務(wù)之間通信、時(shí)間管理以及內存管理等功能。

　　眾所周知，μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)操作系統。既然是多任務(wù)，就需要解決任務(wù)切換的問(wèn)題。任務(wù)切換是在進(jìn)行系統移植過(guò)程需要解決的最主要的問(wèn)題。由于任務(wù)切換涉及到對芯片寄存器的操作，所以它主要用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成，因此，對于不同的單片機，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)系統在運行時(shí)每個(gè)任務(wù)好像獨立占用CPU一樣，因此系統必須為每個(gè)任務(wù)開(kāi)辟一塊內存空間作為該任務(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堆棧的數據。根據以上討論，可總結出在進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)需要完成的工作，主要步驟如下：

　?、?將當前任務(wù)CPU所有的寄存器壓棧；

　?、?將CPU系統堆棧的數據全部拷貝到當前任務(wù)的任務(wù)堆棧中；

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

　?、?恢復下一個(gè)任務(wù)的CPU寄存器的值；

　?、?恢復下一個(gè)任務(wù)的系統堆棧中的數據；

　?、?通過(guò)中斷返回指令或函數返回指令，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(xiě)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)調度，但在中斷結束后進(jìn)行的任務(wù)切換，不能調用普通任務(wù)切換函數，這是因為在中斷過(guò)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，在中斷結束后進(jìn)行的任務(wù)切換中必須對堆棧指針進(jìn)行調整。

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

3 μC/OS-II BSP代碼的編寫(xiě)

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

3.1 任務(wù)切換

　　凌陽(yáng)SPACE061A單片機有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內部寄存器在任務(wù)切換時(shí)需要保存。μCOS-II系統調用OSCtxSw( )來(lái)實(shí)現任務(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:

// 求出系統堆棧的長(cháng)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] // 首先將系統堆棧長(cháng)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系統時(shí)鐘

　　以凌陽(yáng)SPCE061A單片機的TMB2時(shí)基信號作為系統時(shí)鐘，每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)鐘節拍的時(shí)間將產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)子程序中會(huì )調用OSTickISR()函數，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 語(yǔ)

　　RTOS是當今嵌入式應用的熱點(diǎn)。應用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的移植方法是相當重要的。本文移植修改的源代碼請參見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò )補充版（http://www.dpj.com.cn）。