μC/OS-II的任務(wù)切換機理及中斷調度優(yōu)化

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。

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。