μC／OS-II在51單片機上的移植

摘要：針對在51單片機上移植實時操作系統(tǒng)μC／OS-II的目的，以μC／OS-II工作原理為基礎(chǔ)，結(jié)合51單片機堆?？臻g少的情況，采用改變堆棧指針到不同任務(wù)寄存器組的方法，通過改變堆棧指針的實驗，得出在堆棧空間較少的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)μC／OS-II在51單片機上的運行的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：μC／OS；單片機；實時操作系統(tǒng)；堆棧

    μC／OS-II是一種公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，代碼簡短、條理清晰、實時性及安全性能很高，絕大部分代碼用C編寫，現(xiàn)已被移植到多種處理器的構(gòu)架中。隨著51單片機片內(nèi)資源的日益豐富，在51單片機上移植μC／OS-II已成為可能，植入系統(tǒng)后，由系統(tǒng)來管理軟件與硬件資源，簡化應(yīng)用程序的設(shè)計，并且使應(yīng)用系統(tǒng)功能更加完善。因此在51單片機上移植μC／OS-II具有十分重要的意義。

1 μC／OS實時操作系統(tǒng)概述
     μC／OS-II實時操作系統(tǒng)是一種可移植、可固化、可裁剪即可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核，適用于各種微處理器和微控制器。μC／OS-II主要包括任務(wù)調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理、事件管理(信號量、郵箱、消息隊列)4大部分。它的移植與4個文件相關(guān)：匯編文件(OS_CPU_A．A SM)、處理器相關(guān)C文件(OS_CPU．H、OS_CPU_C．C)和配置文件(OS_CFG．H)。有64個優(yōu)先級，系統(tǒng)占用8個，用戶可創(chuàng)建56任務(wù)，不支持時間片輪轉(zhuǎn)。
    它的基本思路就是“近似地每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)”。為了保證這一點，它在調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)、中斷結(jié)束、定時中斷結(jié)束時總是執(zhí)行調(diào)度算法。原作者通過事先計算好數(shù)據(jù)，簡化了運算量，通過精心設(shè)計就緒表結(jié)構(gòu)，使得延時可預(yù)知。任務(wù)的切換是通過模擬一次中斷實現(xiàn)的。

2 任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)原理
    任務(wù)調(diào)度是μC／OS-II的重要部分，和具體的微處理器關(guān)系緊密。必須移植的5個函數(shù)有4個都和任務(wù)有關(guān)。任務(wù)調(diào)度就是保存當前任務(wù)的寄存器和PC指針(即當前任務(wù)的斷點)，然后把將要執(zhí)行的任務(wù)的寄存器值返回給寄存器并把PC指向?qū)⒁獔?zhí)行任務(wù)的斷點。這些的實現(xiàn)要借助于堆棧和中斷，為了簡便起見，先看函數(shù)調(diào)用時堆棧的使用情況。在函數(shù)調(diào)用時，堆棧的一個重要功能就是保存被調(diào)函數(shù)的斷點地址。若有4個函數(shù)，F(xiàn)un1調(diào)用Fun2，F(xiàn)un2調(diào)用Fun3，F(xiàn)un3調(diào)用Fun4，F(xiàn)un4為葉子程序(無子程序調(diào)用)。
   
    假設(shè)現(xiàn)在從Fun1一直運行到Fun4，此時堆棧結(jié)構(gòu)如圖1所示，中間的ADD_A到ADD_D為堆棧中的數(shù)據(jù)，左邊的SP到SP-7為堆棧指針，右邊的Fun1到Fun4為對應(yīng)的調(diào)用函數(shù)。運行Fun4時，此時SP與SP-1所存的值為ADD_D，而ADD_D為Fun3中子函數(shù)Fun4的下一行的地址，即Fun3中3-2行的地址，以此類推，ADD_C為2-2行地址，ADD_B 圖1函數(shù)運行及堆棧結(jié)構(gòu)圖為1-2行地址。

    當函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B時，進入函數(shù)B時就會把函數(shù)A的斷點地址壓棧，而當函數(shù)B運行結(jié)束時則把堆棧中函數(shù)A的斷點地址彈出到PC指針，程序接著從函數(shù)A的斷點開始運行。如果在函數(shù)B中更改SP及SP-1中的數(shù)據(jù)，則函數(shù)B運行結(jié)束時就不會再返回函數(shù)A中，而返回到SP及SP-1更改后的數(shù)據(jù)所代表的地址。
    以上是函數(shù)調(diào)用時的基本情況，如果是中斷則堆棧不僅保存斷點地址還會自動保存寄存器的值。任務(wù)調(diào)度就是靠中斷來實現(xiàn)，中斷中所保存的斷點地址就是任務(wù)的斷點地址，當本任務(wù)要再次執(zhí)行時就把斷點地址賦給PC就可以接著任務(wù)被中斷時地址順序執(zhí)行。

3 頭文件移植
    與移植相關(guān)的4個文件中有2個頭文件，這2個頭文件的移植比較簡單，可以參考其它的移植程序。其中OS_CPU．H中主要是數(shù)據(jù)類型的定義、堆棧生長方向的定義、開關(guān)中斷的定義以及函數(shù)級任務(wù)切換的宏定義。OS_CFG．H中主要是任務(wù)數(shù)、優(yōu)先級數(shù)、事件數(shù)、每秒中斷節(jié)拍數(shù)以及各種系統(tǒng)函數(shù)的使能定義。

4 匯編與C文件的移植
    在要移植的匯編與C的兩個文件中有14個函數(shù)，其中9個是接口函數(shù)，可根據(jù)實際需要來決定，有5個是必須寫的。這5個函數(shù)分別是：OS_CPU_C．C文件中的OSTaskStkInit()和OS_CPU_A．ASM文件中的OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()與OSTickISR()。下面就這5個函數(shù)來做具體分析。
4．1 任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()
    此函數(shù)是在任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreat()或OSTaskCreatExt()中調(diào)用的。因為系統(tǒng)為每個任務(wù)申請了一個數(shù)組作為棧，當一個任務(wù)運行時，就把堆棧指針指向本任務(wù)的棧，任務(wù)堆棧初始化函數(shù)就是在任務(wù)創(chuàng)建時將要創(chuàng)建任務(wù)的堆棧進行初始化。但C51的堆棧指針SP是8位的，只能在片內(nèi)RAM的256個字節(jié)內(nèi)尋址。因其尋址空間有限且SP唯一，不能像DSP或ARM那樣為每一段程序或每一種模式定義堆棧，需小心管理堆?？臻g。為了適應(yīng)上述情況，需要換一種思路，不是讓SP去指向各任務(wù)堆棧空間，而是把各任務(wù)堆棧空間的內(nèi)容復制到系統(tǒng)棧中。至于堆棧數(shù)組空間要有多大以及堆棧數(shù)組空間里放些什么內(nèi)容，可以借鑒keil中中斷函數(shù)的壓棧情況，當中斷函數(shù)不指定寄存器組時，編譯器一般將PC、ACC、B、DPTR、PSW、R0～R7寄存器入棧，其中PC和DPTR是雙字節(jié)的，其它都是單字節(jié)的，一共15個字節(jié)，所以把堆棧數(shù)組設(shè)計成至少15個字節(jié)的，以保證任務(wù)所用的寄存器都在堆棧數(shù)組中包含著。因為每個數(shù)組里放的是寄存器的值，在此就把這每個任務(wù)的堆棧數(shù)組叫做寄存器數(shù)組，暫且把寄存器數(shù)組設(shè)計成15個字節(jié)，依次存放PC、ACC、B、DPTR、PSW、R0～R7。
    函數(shù)OSTaskStkInit()傳遞4個參數(shù)，第1個參數(shù)task是所創(chuàng)建任務(wù)的起始地址，這個參數(shù)須保存到PC在寄存器數(shù)組的對應(yīng)位置，第2個參數(shù)ppdata是所創(chuàng)建任務(wù)的參數(shù)，C51規(guī)則中用R1～R3來傳遞參數(shù)指針，這個參數(shù)須存放到R1～R3在寄存器數(shù)組中的對應(yīng)位置。第3個參數(shù)ptos是棧底指針，從當前地址開始初始化堆棧指針，第4個參數(shù)opt是附加參數(shù)，一般不用。
4．2 運行等待任務(wù)中優(yōu)先級最高任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy()
    此函數(shù)在啟動操作系統(tǒng)函數(shù)OSStart()的最后一行調(diào)用，且此函數(shù)不返回，經(jīng)過此函數(shù)后μC／OS接管系統(tǒng)。OSStartHighRdy()不是去調(diào)用用戶任務(wù)函數(shù)，而是讓PC指針指向任務(wù)函數(shù)首地址。且任務(wù)函數(shù)的傳遞參數(shù)只有一個，若此參數(shù)正確，則可保證任務(wù)函數(shù)運行正確。在調(diào)用OSStartHighRdy()之前OSStart()已經(jīng)把最高優(yōu)先級任務(wù)的任務(wù)表準備好了，只要把最高優(yōu)先級任務(wù)表的數(shù)據(jù)恢復到堆棧中，再執(zhí)行返回指令即可，以上最關(guān)鍵的是如何讓其返回到最高優(yōu)先級任務(wù)中而不是返回到被調(diào)函數(shù)中。
    當函數(shù)OSStart()調(diào)用函數(shù)OSStartHighRdy()時，斷點地址入棧；當OSStartHighRdy()執(zhí)行完之后，返回斷點。在OSStartHighRdy()中把SP及SP-1的值改為最高優(yōu)先級任務(wù)的地址，這樣OSStartHighRdy()就會返回到最高優(yōu)先級任務(wù)中去運行。
4．3 任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()
    此函數(shù)是保存當前任務(wù)的狀態(tài)，然后運行處于就緒態(tài)中的最高優(yōu)先級任務(wù)。前面介紹過不是更改SP去指向寄存器數(shù)組，而是把寄存器數(shù)組的數(shù)復制到堆棧中。先看下一般的情況，在用戶任務(wù)MyTask(void*ppdtat)中調(diào)用TimeDly()，TimeDly()中調(diào)用OSSched()，在OSSched()中有一個宏OS_TASK_SW()，這個宏的目的是讓程序進人函數(shù)OSCtxSw()。參看圖1，就如Fun4為OSCtxSw()，F(xiàn)un3為OSSched()，F(xiàn)un2為TimeDly()，F(xiàn)un1為MyTask()。ADD_D存的是OSSched()的斷點，ADD_C為TimeDly()的斷點，ADD_B為MyTask()的斷點。如果進行任務(wù)切換，應(yīng)該把高優(yōu)先級任務(wù)的地址值賦給ADD_B(即SP-4與SP-5)。
    以上考慮的是最簡單的情況，當任務(wù)比較復雜時，可能更改了ACC、PSW、DPTR或R0～R7的值，在進入高優(yōu)先任務(wù)時，寄存器并不是此任務(wù)的寄存器值，運行的結(jié)果可能不正確。
    在上述情況下如何保證CPU寄存器的值正確，要分兩個階段。第一個階段是把CPU寄存器值保存到要掛起任務(wù)的寄存器數(shù)組中，當剛進入OSCtxSw()時，CPU寄存器的值是要掛起任務(wù)的寄存器值，所以一開始就要鎖定CPU寄存器的值。如果OS_TASK_SW()定義為中斷的話，在進入OSCtxSw()時，CPU寄存器的值被自動壓棧；如果把OS_TASK_SW()定義為函數(shù)時，在進入函數(shù)時使用內(nèi)嵌匯編的方法把CPU寄存器入棧。這時堆棧中又壓入了13個字節(jié)，就如在圖1的ADD_D上又壓入了13個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后從堆棧中把值取出來放到相應(yīng)任務(wù)的寄存器數(shù)組中。第二個階段是把將要執(zhí)行任務(wù)的寄存器數(shù)組的值復制到堆棧中。此時PC指針在堆棧中對應(yīng)的位置是SP-17與SP-18，SP到SP-12的13個字節(jié)對應(yīng)ACC、B、DPTR、PSW、R0～R7。
4．4 中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw()
    此函數(shù)和上一個函數(shù)基本思想一致，都要保存當前任務(wù)的狀態(tài)，運行處于就緒態(tài)中的優(yōu)先級最高的任務(wù)。二者的不同在于，上個函數(shù)的堆棧中SP-17與SP-18是PC值的位置，SP到SP-12是13個寄存器的位置。當中斷來時，在中斷中調(diào)用函數(shù)OSIntExit()，函數(shù)OSIntExit()調(diào)用函數(shù)OSIntCtxSw()，在OSIntCtxSw()中實現(xiàn)任務(wù)切換。在進入函數(shù)OSIntExit()之前寄存器的值已經(jīng)入棧，所以運行到本函數(shù)時堆棧中SP-17與SP-18是PC值的位置。SP-4到SP-16是13個寄存器的位置。在圖1上，上個函數(shù)的13個寄存器的值被壓入ADD_D上面的13個字節(jié)中，而本函數(shù)是在ADD_B于ADD_C之間壓入的這13個寄存器。
4．5 周期節(jié)拍中斷函數(shù)OSTickISR()
    這個函數(shù)是給系統(tǒng)提供一個節(jié)拍，一般每秒10～100次。如果節(jié)拍頻率太高，μC／OS系統(tǒng)會占用大量硬件資源；如果太低，任務(wù)間的切換又會很慢。
    此函數(shù)首先要保證產(chǎn)生一個周期性的中斷，可以使用硬件定時器，也可以從交流電中獲得50／60Hz的時鐘頻率。這個函數(shù)至少要做3件事：1)進入中斷時，把中斷嵌套層數(shù)計數(shù)器加1，說明又進入一次中斷，也可以直接調(diào)用OSIntEnter()函數(shù)；2)調(diào)用時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()，告知系統(tǒng)又經(jīng)過了一個節(jié)拍；3)調(diào)用OSIntExit()函數(shù)，說明要退出中斷了，此函數(shù)會自動處理。

5 結(jié)束語
    文中闡述了在堆?？臻g有限的51單片機上運行μC／OS-II系統(tǒng)的移植過程，利用系統(tǒng)棧SP作為數(shù)據(jù)交換的樞紐。在實際應(yīng)用中，如果用系統(tǒng)棧來移植，只需根據(jù)文中的基本思想進行適當?shù)母膶懀纯蛇\行于其他處理器上。如果處理器的堆棧指針尋址空間足夠大，也可以為每個任務(wù)開辟一個棧，通過改變堆棧指針指向不同任務(wù)的?？臻g，來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。
    通過在51單片機上的運行，可以看出μC／OS-II也能在堆?？臻g比較少的CPU上運行。