uC/OS II的任務(wù)切換機理及中斷調度優(yōu)化

　　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，uC/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uC/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 uC/OS II的幾大組成部分
　　uC/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uC/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) uC/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uC/OS II針對所使用的CPU的移植部分。由于uC/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。

　　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
　　 uC/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，緩蟀炎罡哂畔燃兜腡CB->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)，uC/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
　　uC/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。uC/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，uC/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uC/OS II存在的問(wèn)題和解決方法
　　由于uC/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 uC/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uC/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uC/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?；趗C/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uC/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)。