uC/OS-II在MSP430單片機芯片上實現(xiàn)RTOS的問題分析

　單片機作為嵌入式信息產品的一個重要應用方面，其使用、設計面臨著全新的挑戰(zhàn)。一方面，人們對嵌入式產品的要求越來越高，穩(wěn)定可靠、功能豐富、物美價廉的信息產品將成為人們的首選。另一方面，隨著微電子工藝水平的發(fā)展，單片機處理器的能力不斷提高，從最初的8位單片機到16位，進而32位單片機，功能越來越強大，執(zhí)行速度越來越快，集成度、精確度也越來越高，應用領域進一步拓寬?？梢哉f，單片機芯片的性能已經能夠滿足現(xiàn)代人們對嵌入式信息產品的更高要求。為了能將二者有效地結合起來，嵌入式RTOS的軟件設計方法也取代了以前的前后臺(超循環(huán))設計方法，越來越受到重視和應用。

　　正如分時操作系統(tǒng)中Linux的出現(xiàn)打破了Windows一統(tǒng)天下的局面一樣，由美國Jean J.Labrosse先生設計和編寫的uC/OS-II(Micro C OS 2)的出現(xiàn)也給國內的RTOS應用者帶來了驚喜。uC/OS-II的最大優(yōu)點與Linux相同，即其源代碼全部公開，使人們在應用它的同時能清楚地了解內部的實現(xiàn)細節(jié)，并且能夠根據(jù)自己的需求進行移植和修改。特別重要的是uC/OS-II經過8年的發(fā)展，已經成功地在多個行業(yè)得到應用，保證了實用性和可靠性。它的出現(xiàn)改變了以前人們在使用RTOS時的態(tài)度，減少了經濟上的顧慮，對于國內RTOS的研究、推廣、應用將起到重要的推動作用。uC/OS-II采用微內核設計，使用C語言編寫，追求靈活性，可配置、可裁剪、可擴充、移植性強。需要強調的是 uC/OS-II嚴格采用優(yōu)先級搶占式調度方案。在創(chuàng)建任務時，根據(jù)任務的重要性給每個任務分配不同的優(yōu)先級。任務調度時，先執(zhí)行高優(yōu)先級的任務，然后按照優(yōu)先級由高到低執(zhí)行任務。如果在某個任務執(zhí)行中，激發(fā)了一個優(yōu)先級更高的任務，那么在該任務執(zhí)行結束后，將由任務調度器調度去執(zhí)行所激發(fā)的高優(yōu)先級任務，而不是順序執(zhí)行。

　　下面就uC/OS-II在TI公司生產的MSP430F148芯片上的移植和應用來探討在單片機上實現(xiàn)RTOS可能遇到的一些問題。

　　1 MSP430系列單片機簡介

　　MSP430系列單片機是由TI公司開發(fā)的16位單片機。其突出特點是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場合。有多個系列和型號，分別由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成。典型應用是流量計、智能儀表、醫(yī)療設備和保安系統(tǒng)等方面。由于其較高的性能價格比，應用已日趨廣泛。

　　MSP430F148是TI新近推出的MSP430F14x/13x系列單片機中的一款。相對MSP430系列的其它芯片，主要特點如下：

　　超低功耗。由于內置了功耗極低的快速閃存，因此，MSP430F14x/13x系列在待機模式下所消耗的電能還少于電池未使用時的自然損耗。在正常的工作狀態(tài)下，如果工作電壓為2.2 V，其典型消耗電流僅為250uA/MIPS，而待機模式下工作電流降至僅1uA以下。

　　執(zhí)行速度快。MSP430F13x/14x系列的工作電壓范圍為1.8~3.6 V，性能可達8 MIPS。

　　存儲容量大。MSP430F148片內內置了48 KB Flash ROM和2 KB RAM。RAM空間是MSP430系列中最大的，基本符合運行RTOS的需要。

　　高性能A/D。包含了1個具有8個外部通道的12位高性能A/D轉換器。利用芯片內置的自動掃描功能，A/D轉換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立工作。

　　集成度高。該器件還包括1個獨立的看門狗、2個脈寬調制定時器(PWM)、1個比較器、2個USART口以及48個輸入/輸出引腳等部件。

　　在線支持強。MSP430F13x/14x系列均可由MSP-FET430P140閃速仿真工具(FET)提供支持。該FET是一種完整的集成開發(fā)環(huán)境，包括源代碼級調試器、仿真器、匯編/連接器、C編譯器、2種評估芯片、目標板、JTAG接口以及編程單元等。

　　由以上介紹可以看出，MSP430F148屬于一種中低端的單片機，只具備運行RTOS的基本條件，所以在它上面運行RTOS所遇見的一些問題，對于一般的單片機而言是具有代表性的。

　　2 中斷堆棧的結構設計

　　在uC/OS-II中，任務切換分為任務級切換和中斷級切換。其中任務級切換是通過發(fā)軟中斷指令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。軟中斷指令會強制將一些處理器寄存器保存到當前任務的堆棧中，并執(zhí)行任務調度。其目的是使處于就緒態(tài)的任務的堆棧結構看起來就像剛發(fā)生過中斷并將全部寄存器保存在堆棧的情形一樣。如MCS-5l以及x86芯片都有類似的指令，但問題出在有一些單片機芯片中沒有軟中斷指令，并且在發(fā)生中斷時保存寄存器的情況根據(jù)單片機芯片和所使用的編譯器的不同而有很大區(qū)別。

　　MSP430F148中就沒有軟中斷指令，所使用的IAR編譯器在發(fā)生中斷時也不保存所有的寄存器，而是只保存幾個在中斷中使用到的寄存器。所有這些都是不符合uC/OS-II的移植條件的。我們的解決方法是根據(jù)具體情況來自己定義一個中斷結構，不論是在任務級調度還是中斷發(fā)生或調度以及任務堆棧的初始化時，都要按照這個結構來執(zhí)行。代價是必須對所編寫的中斷程序的匯編代碼進行人工修改，使之符合這個中斷結構。

　　為設計一個符合要求的中斷堆棧結構，首先必須清楚所使用的單片機在發(fā)生中斷時執(zhí)行了哪些操作，即向堆棧中保存了哪些寄存器以及它們的順序。當MSP430單片機發(fā)生中斷時，只進行2條基本操作，先將SR(狀態(tài)寄存器)壓入堆棧中保存，然后將中斷發(fā)生時要執(zhí)行的下一條指令的PC值壓入堆棧保存。其次，要清楚所使用的C編譯器在編譯C語言編寫的中斷程序時，進行了哪些默認的操作。通過對所使用的IAR V2.13編譯器編譯產生的匯編程序進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，除了以上的2條基本操作以外，在中斷程序的開頭，還自動保存了 R12~R15四個寄存器，余下的R4~Rll八個寄存器中只保存在中斷程序中用到的個別寄存器，而不是全部保存。但在RTOS中必須保存所有的寄存器，這樣才能正確保存該任務的狀態(tài)。通過以上分析，我們定義了MSP430運行uC/OS-II時的中斷堆棧結構，如圖1所示。

　　3 如何保證單片機的低功耗特性

　　單片機在嵌入式方面的應用都非常強調單片機的超低功耗特性。MSP430系列的特點也在于此。如果由于運行RTOS而破壞了單片機的低功耗特性是得不償失的。一般的單片機都規(guī)定了幾種不同功耗的工作模式，可以根據(jù)具體的需求來選擇。不同工作模式是通過讀寫1個或1組寄存器來控制CPU、時鐘、晶振以及外圍設備的運行來實現(xiàn)的。

　　MSP430系列單片機有6種不同的工作模式，都是通過對狀態(tài)寄存器SR的讀寫來實現(xiàn)的。在RTOS中，由于每個任務都可以分別保存自己的狀態(tài)，包括狀態(tài)寄存器，所以在實現(xiàn)低功耗工作模式時更加靈活方便。首先，在設計每個任務時，都可以根據(jù)任務的具體要求定義它的工作模式。其次，在整個系統(tǒng)設計中，設計一個最低優(yōu)先級的任務，其作用就是使系統(tǒng)進入特定的低功耗工作模式。這樣，在其它任務都運行完畢后，系統(tǒng)會調用這個任務使整個系統(tǒng)進入低功耗工作模式。當其它任務又恢復運行時(如延時結束)，會自動進入其特定的工作狀態(tài)，以達到降低功耗的目的。

　　4 如何減少RTOS在運行中占用的RAM空間

　　影響RTOS在單片機上應用的主要原因是由于在單片機上運行RTOS需要占用一定的系統(tǒng)資源，如系統(tǒng)時鐘、RAM、FLASH或ROM等，從而減少了應用系統(tǒng)對資源的利用。特別是對RAM的占用。一般而言，單片機上的內部RAM數(shù)量都很少(如MSP430F148是整個MSP430中RAM最多的，也只有2 KB)，雖然可以通過外部擴展來增加RAM數(shù)量，但這樣不僅增加了設計的難度和產品成本，而且有時還使系統(tǒng)應用無法進行擴展。所以，最好的方法是能夠充分利用單片機的內部RAM來運行RTOS。

　　通過分析uC/OS-II對RAM的使用情況可知，占用RAM空間最多的原因，是由于在設計uC/OS-II時，要給每個任務都分配一個單獨的任務堆棧。特別在單片機的硬件設計沒有將中斷堆棧與任務堆棧分開時，計算任務堆棧的大小時不僅要計算任務中變量和函數(shù)嵌套所使用的RAM大小，還必須計算該任務在運行時發(fā)生中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小。由于每一個任務均需預留中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小，所以使得大量RAM空間被浪費。最直接的解決方法就是利用軟件來將任務堆棧和中斷堆棧分離，使得在計算任務堆棧的大小時，只需計算任務本身所需的RAM空間大小，從而提高了RAM的使用效率，增加了更多的應用任務。

　　所謂將中斷堆棧與任務堆棧分離，就是在內存中專門開辟出一塊區(qū)域作為中斷堆棧使用，任何一個任務運行時發(fā)生中斷都只使用它。設計的原則：一是要盡量將中斷任務與普通任務分開;二是模擬的中斷堆棧指針必須一直保持在中斷堆棧的頂部，即中斷時中斷堆棧指針要時刻保持與SP的同步變化。

　　為了達到這個目的，單片機芯片必須具備以下2個條件。

　　首先，單片機芯片必須有一個通用寄存器和相應的指令能夠模仿堆棧指針SP的功能，即能實現(xiàn)軟堆棧。在MSP430系列單片機中有以下指令可以仿真SP的功能(把R4作為中斷堆棧指針使用)：

　　MOV @R4+，SP ;將R4所指向地址中的內容存入SP;中，同時R4中內容加2

　　MOV SP，0(R4) ;將SP中的內容存入R4所指向的地址中

　　MOV @R4+，PC ;將R4所指向地址中的內容存入PC;中，同時R4中內容加2

　　其次，作為模擬中斷堆棧指針的寄存器R4，必須在中斷之外的任何情況下不被使用。因為，此時的R4必須時刻保持在中斷堆棧的頂部，如果改變它的值，就會改變中斷堆棧的結構。一般這個要求是由所使用的編譯器來保證的，在我們所使用的IAR編譯器中，有一個選項可以避免使用R4和/或R5。

　　具體設計時，我們在uC/OS-II每個任務的TCB(任務控制塊)結構中加入以下幾項：

　　TSP--任務堆棧指針。發(fā)生中斷后，指向該任務的任務堆棧的頂部。

　　ISP--中斷堆棧指針。如果在中斷中發(fā)生任務切換，指向該任務在中斷堆棧所保存狀態(tài)的頂部。

　　FromInt標志--是否來自中斷標志。用來判斷該任務的狀態(tài)是保存在中斷堆棧中(為1)，還是保存在任務堆棧中(為0)。

　　下面假設一個普通任務1在執(zhí)行過程發(fā)生中斷，對它在中斷執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的幾種情況進行分析。

　　(1)在普通任務1運行時引發(fā)中斷，在中斷中沒有激活更高優(yōu)先級的任務，而是正常結束中斷，繼續(xù)執(zhí)行任務1，如圖2所示。

　　開始中斷：將在中斷發(fā)生時保存在當前任務堆棧的SR和PC移到中斷堆棧中保存，同時 SP回到中斷前的位置并將它保存到該任務TCB中的TSP中(這是為了在中斷結束后，保持任務堆棧的連續(xù)性)，然后將SP指到目前中斷堆棧的頂部，按照自定義堆棧結構的順序依次將所有寄存器都保存到中斷堆棧中。保存的過程中R4必須與SP保持同步變化，同時將FromInt標志置l。

　　退出中斷：由于沒有激活更高優(yōu)先級的任務，所以在中斷任務完成后，將按正常的順序退出中斷，即將保存在中斷堆棧中的寄存器推出堆棧，將FromInt標志置0，SP重新指向該任務的任務堆棧中，最后，將PC指針指向中斷前的返回地址，繼續(xù)程序運行。

　　(2)在普通任務1運行時引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務2。中斷結束時由任務調度器調度去執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務2，沒有返回普通任務1。

　　當執(zhí)行任務2時，任務調度器會將任務2保存在自己任務堆棧中的狀態(tài)恢復并執(zhí)行任務2。執(zhí)行完后，如果沒有激活更高優(yōu)先級的任務，那么按照優(yōu)先級高低的原則，調度器將調度執(zhí)行任務1。通過判斷任務1的TCB中的FromInt標志，可以知道任務1的狀態(tài)是保存在任務堆棧中還是中斷堆棧中，從而可以將其狀態(tài)恢復，繼續(xù)運行。

　　(3)在普通任務1運行時引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務2，執(zhí)行任務2時又發(fā)生中斷。

　　由于uC/OS-II是嚴格按照優(yōu)先級搶占式原則進行任務調度的，所以將任務狀態(tài)保存在中斷堆棧頂部的任務的優(yōu)先級一定比狀態(tài)保存在它下面的任務的優(yōu)先級高。在執(zhí)行時，是由中斷堆棧的頂部向底部順序執(zhí)行。在這種假設中，一定先執(zhí)行任務2，然后執(zhí)行任務1，如圖3所示。

　　(4)在普通任務1運行時引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務2。在執(zhí)行任務2時又發(fā)生中斷，在中斷過程中任務2由于等待信號量而被掛起。

　　這種情況在系統(tǒng)最初設計時已經被禁止，在中斷中不允許使用信號量將中斷掛起。

　　(5) 在普通任務1運行時引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務2。在執(zhí)行任務2時又發(fā)生中斷，中斷中激活更高優(yōu)先級的任務3。中斷結束時由任務調度器調度去執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務3。

　　這種情況與討論的情況2是一樣的。

　　(6)高優(yōu)先級任務2被更高優(yōu)先級的任務3中止，在任務3運行完后，任務調度器將直接調度執(zhí)行任務1(按照優(yōu)先級調度)。

　　由于各個任務的ISP和TSP在任務切換前都已經保存在該任務的TCB中，任務1的堆棧指針和R4可以回到該任務在其任務堆棧和中斷堆棧的正確的位置。

　　任務2被中止包括兩種情況。一是任務2被別的任務刪除，此時任務2在中斷堆棧中占用的空間會自動釋放。二是任務2被別的任務掛起，此時應在將程序掛起的函數(shù)TaskSuspend()中添加一段代碼，將其保存在中斷堆棧中的狀態(tài)移到自己的任務堆棧中，同時將其TCB中的FromInt標志設為0。這樣，在任務2解除掛起后，會去任務堆棧中恢復其狀態(tài)。

　　(7)中斷中發(fā)生中斷嵌套。

　　發(fā)生中斷嵌套時，要按照中斷嵌套的機制進行處理。首先，在中斷嵌套中，不允許進行任務調度，這樣，即使在中斷嵌套中激發(fā)了更高優(yōu)先級的任務，也必須等到最后中斷退出前才進行調度執(zhí)行。這一點是由uC/OS-II系統(tǒng)設計保證的。其次，保存寄存器和函數(shù)調用所占用的RAM字節(jié)全部在中斷嵌套中。在退出中斷嵌套時，不必將TCB中的FromInt標志復位。

　　5 程序設計流程

　　(1)中斷程序結構和設計流程，如圖4所示。

　　(2)普通任務間的任務切換程序流程，如圖5所示。

　　(3)在中斷中任務切換程序流程，如圖6所示。

　　我們已經在MSP430F148上成功運行了uC/OS-II，在RAM只有2 KB的情況下，能夠運行16個任務，可以滿足一些復雜的應用需求，大大擴展了MSP430F148的應用范圍，并且提高了應用系統(tǒng)的實時性。為了驗證實際效果，在此基礎上，我們將幾個常用的家庭儀表--水表、暖氣表、熱水表集成在一起，運行效果良好，達到設計要求。