AVR單片機(jī)的RTOS-AVRX應(yīng)用
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引 言
隨著技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)人們的生活產(chǎn)生了很大的影響,并將逐漸改變?nèi)藗兾磥?lái)的生活方式。在特定的操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序,可以使開發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細(xì)節(jié),使得應(yīng)用程序調(diào)試更方便、易于維護(hù)、開發(fā)周期縮短并且降低開發(fā)成本,因而嵌入式操作系統(tǒng)深得開發(fā)人員的青睞。
AVR 微處理器是Atmel公司開發(fā)的8位嵌入式RISC處理器,它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優(yōu)點(diǎn),而且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立編址,并具有獨(dú)立訪問(wèn)的哈佛結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)內(nèi)核有豐富的指令集,通過(guò)32個(gè)通用寄存器直接與邏輯運(yùn)算單元相連接,允許在一個(gè)周期內(nèi)一條單一指令訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器,這樣的結(jié)構(gòu)使代碼的執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集微處理器快了將近lO倍。
AVRX是由lbarello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng),它專門針對(duì)AVR系列單片機(jī)的RTOS,具有免費(fèi)和可以修改的特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是由于做為一種專用的操作系統(tǒng)很難移植到其他平臺(tái)上。
1 AVRX系統(tǒng)的特點(diǎn)
AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點(diǎn):
◆完全支持占先式、優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)調(diào)度算法;
◆16個(gè)優(yōu)先級(jí),相同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用Round-robin調(diào)度算法輪流執(zhí)行;
◆信號(hào)量可以用于信號(hào)傳遞、同步和互斥信號(hào)量,支持阻塞和非阻塞語(yǔ)法;
◆任務(wù)之間可以用消息隊(duì)列相互傳遞信息,接收和確認(rèn)消息可以用阻塞和非阻塞調(diào)用;
◆在中斷子程序中,大部分非阻塞的中斷服務(wù)程序可以使用;
◆支持單個(gè)定時(shí)器的時(shí)間隊(duì)列管理,任何進(jìn)程都可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器,并且任何一個(gè)任務(wù)都可以等待定時(shí)器時(shí)間到;
◆支持單步調(diào)試運(yùn)行著的進(jìn)程;
◆程序空間小,包含所有功能的版本占用1000字節(jié);
◆與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有關(guān)的一些事務(wù)可以用AVRX寫成任務(wù)級(jí)代碼。
1.1任務(wù)
AVRX2. 6為了支持c語(yǔ)言,保存了所有的32個(gè)寄存器。最小的上下文是32個(gè)寄存器、SREG和PC,總共35個(gè)字節(jié)。AvrxInitTask()函數(shù)給所有的寄存器初始化為0X00。只有進(jìn)程上下文保存在任務(wù)堆棧中,所有其他的使用(包括內(nèi)核和中斷)保存在內(nèi)核堆棧。這樣降低了第一個(gè)中斷的上下文切換和進(jìn)入內(nèi)核API的SRAM消耗。隨后的中斷(如果允許中斷嵌套)嵌入內(nèi)核堆棧,API不進(jìn)行上下文切換。
1.2信號(hào)量
信號(hào)量是SRAM指針,它們有三種狀態(tài):PEND、WAITING和DONE。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被一個(gè)信號(hào)量阻塞時(shí),它處于WAITING狀態(tài),多個(gè)任務(wù)可以排隊(duì)等候一個(gè)信號(hào)量。在后一種情況下,信號(hào)量可以看作互斥信號(hào)量。提供的API函數(shù)如下:AvrXSetSemaphore、 AvrXIntsetSema- pore、AvrXWaitSemaplaore、AvrXTestSemapIlorc、AvrX-IntTestSemaphore和 AvrxResetSemaphore。
1.3定時(shí)器
定時(shí)器控制塊(TCB)長(zhǎng)度為4(或6)個(gè)字節(jié)。它們管理一個(gè)16位計(jì)數(shù)值。定時(shí)器隊(duì)列管理器管理一個(gè)分類的定時(shí)器隊(duì)列,每個(gè)都調(diào)整為所有計(jì)數(shù)器的和到其延時(shí)需要的值。提供的API函數(shù)如下: AvrXStartTimer、AvrXTim-erHandler、AvrXCancel Timer、AvrXWaitTimer、AvrX-TestTimer和AvrXDelay。
1.4消息隊(duì)列
消息隊(duì)列用消息控制塊(MCB)做為隊(duì)列首地址。任何進(jìn)程、中斷處理函數(shù)和多個(gè)進(jìn)程都可以等待消息。MCB的長(zhǎng)度是2或4個(gè)字節(jié),消息可以認(rèn)為是靈活性更大的信號(hào)量。提供的API函數(shù)如下:AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、 AvrXWaitMes-sage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWait-MessageAck。
1.5單步運(yùn)行支持
通過(guò)重新匯編內(nèi)核AVRX,可以允許和禁止單步運(yùn)行的支持。單步運(yùn)行可以通過(guò)編譯內(nèi)核庫(kù)時(shí)定義下面的變量:#define SIGNALSTEPSUPPORT。在能夠單步運(yùn)行以前,進(jìn)程必須先暫停。有兩種方法實(shí)現(xiàn):一是僅僅初始化進(jìn)程但不使能;二是用目標(biāo)進(jìn)程的ID調(diào)用 AvrXSuspend,一旦目標(biāo)進(jìn)程掛起,調(diào)試SPI就能使用了。提供的API函數(shù)有:AvrxStepNext和AvrXSin- gleStepNext。
1.6系統(tǒng)對(duì)象
AVRX是圍繞系統(tǒng)對(duì)象的概念而構(gòu)建的。系統(tǒng)對(duì)象包括一個(gè)鏈接和其后面的0個(gè)或者若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信號(hào)量。進(jìn)程對(duì)象可以根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列和信號(hào)量排隊(duì)。計(jì)數(shù)器控制塊只能根據(jù)計(jì)數(shù)器隊(duì)列排隊(duì)。消息控制塊只能在消息隊(duì)列排隊(duì)。進(jìn)程根據(jù)嵌入對(duì)象的信號(hào)量等待這些對(duì)象。進(jìn)程堆棧中可用的SRAM是限制系統(tǒng)規(guī)模的主要因素,每個(gè)進(jìn)程都需要至少10~35字節(jié)的空間來(lái)存儲(chǔ)進(jìn)程上下文。提供的API函數(shù)如下:AvrXSetObjectSama-phore、 AvrXIntObjectSamaphore、 AvrXResetObiectSama-phore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSama- phore和AvrXInfTestObjectSamaphore。
1.7系統(tǒng)堆棧
AVRX需要足夠大的堆棧來(lái)處理所有可能的中斷嵌套。每次進(jìn)入內(nèi)核將會(huì)把10~35字節(jié)壓進(jìn)堆棧(標(biāo)準(zhǔn)上下文和返回地址),中斷處理可能壓進(jìn)去更多。AVRX的API會(huì)臨時(shí)壓入2個(gè)以上的字節(jié)。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部,保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內(nèi)是設(shè)計(jì)者的工作。
2 AVRX系統(tǒng)的應(yīng)用
2.1 AVRX在不同型號(hào)AVR單片機(jī)上的移植
下面以ATmegM6為例,介紹移植工作。
(1)編譯器的選擇
由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR-GCC編譯器下編寫的,所以選用AVR-GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機(jī)上的移植特性。
(2)重新編譯AVRX內(nèi)核
為了將應(yīng)用程序成功編譯,需要重新編譯AVRX內(nèi)核,重新編譯包括下述步驟。
①重新修改AVRX源碼的Makefile文件,需要修改的幾處如下:
ABSPATH=…/avrx/*更改AVRX原路徑刊實(shí)際路徑下*/ 修改 MCU=8535 AAVRMCU=1 GCCMCU=at90s$(MICU) AVRXMCU=_AT90S$(MCU)_為 ICCMCU=m16 AAVRMCU=3 GCCMCU=atmega16 AVRXMCU=_AT90Megal6_ |
②重新修改AVRX源碼的serialio.S文件,即根據(jù)不同的單片機(jī)修改串口部分的寄存器定義。需要增添如下代碼:
#if defined(UBRRL) #define UBRR UBRRL #endif #if defined(UBRRH) sts UBRRH, plh #endif |
③重新編譯內(nèi)核。具體做法是復(fù)制一個(gè)“命令提示符”到AVRX目錄下,運(yùn)行“命令提示符”,鍵入“makegcc”命令后運(yùn)行就完成了AVRX內(nèi)核的重新編譯,會(huì)生成很多的.o文件和avrx.a文件。這些文件在以后的應(yīng)用程序中會(huì)使用。
至此就完成了AVRX在ATmegal6單片機(jī)上的內(nèi)核移植,接著就可以編寫應(yīng)用程序了。
2.2在AVRX上編寫應(yīng)用程序
這時(shí)候要用一個(gè)新的makefile文件,同時(shí)自己的程序可以不和AVRX的內(nèi)核在一個(gè)目錄,但是要指出依賴文件的明確路徑。makefile的框架可以采用Winavr的sam-ple文件夾下的makefile文件框架。這里的難點(diǎn)其實(shí)還是makefile文件的語(yǔ)法問(wèn)題。下面介紹應(yīng)用程序的 makefile文件在實(shí)例中需要修改或增加的代碼:
MCU=atmegal6/*微處理器的名字*/ TARGET=test /*應(yīng)用程序文件名*/ GCCLIB=$(AVRX)/avrx/avrx.a(chǎn) GCCINC=-I.-I$(AVRX)/avrx-I$(AVR)/avr/inc /*加上相關(guān)的庫(kù)*/ SCANF_LIB_MIN=-Wl,-u,vfscanf-lscanf_min SCANF_LlB_FLOAT= -Wl,一u,vfscannf-lscanl_flt SCANF_LIB= /*設(shè)置sacnf函數(shù)庫(kù)的類型,在不使用時(shí)可以 注釋掉,這樣可以減小編譯后的文件太小*/ LDFLAGS+=$(PRIBITF_LlB)$(SCANF_LIB) $(MATH_LIB) /*新增的連接器參數(shù)設(shè)定*/ |
3 系統(tǒng)測(cè)試
3.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試
在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)能力上。系統(tǒng)通過(guò)中斷來(lái)響應(yīng)外部事件的發(fā)生,并且在用戶中斷程序中做的事要盡量少,把大部分工作留給任務(wù)去做,只是通過(guò)信號(hào)量或者消息機(jī)制來(lái)通知任務(wù)運(yùn)行。Mega16的定時(shí)器2設(shè)為比較匹配輸出模式,在匹配時(shí)間到了之后產(chǎn)生一定周期脈沖輸出,并產(chǎn)生中斷。設(shè)置定時(shí)器1為計(jì)數(shù)模式來(lái)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖輸出。通過(guò)定時(shí)器2的比較匹配中斷服務(wù)子程序來(lái)發(fā)信號(hào)量通知任務(wù)運(yùn)行,并在中斷子程序中不開中斷,而在任務(wù)得到信號(hào)后開中斷,以實(shí)現(xiàn)中斷處理與任務(wù)運(yùn)行的同步。任務(wù)中對(duì)一個(gè)全局變量計(jì)數(shù),以記錄任務(wù)執(zhí)行的次數(shù)。運(yùn)行一段時(shí)間后,在設(shè)置的匹配時(shí)間里,任務(wù)的運(yùn)行次數(shù)和定時(shí)器1的計(jì)數(shù)一樣,則系統(tǒng)在這段時(shí)間里是能完全響應(yīng)外部事件的。當(dāng)定時(shí)器2的比較匹配時(shí)間設(shè)為大于23 μs時(shí),2個(gè)計(jì)數(shù)是相等的;當(dāng)小于23 μs時(shí),定時(shí)器1計(jì)數(shù)值大于任務(wù)計(jì)數(shù)值,說(shuō)明任務(wù)沒(méi)有完全得到響應(yīng)。這說(shuō)明中斷的進(jìn)入和返回即系統(tǒng)對(duì)外部時(shí)間的響應(yīng)和處理時(shí)間為23 μs,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他操作系統(tǒng)在AVR單片機(jī)上移植后的響應(yīng)時(shí)間。
3.2應(yīng)用例程測(cè)試
這里只對(duì)源文件中的幾個(gè)例程先進(jìn)行簡(jiǎn)單的編譯,然后去掉不必要的代碼,加入自己想測(cè)試的一些代碼,進(jìn)行了定時(shí)器控制模塊、信號(hào)量和消息隊(duì)列以其簡(jiǎn)單組合的測(cè)試,均在ATmega16上達(dá)到了預(yù)期的效果。
4 心得體會(huì)
①AVRX的源碼都是用匯編語(yǔ)言編寫的,相對(duì)來(lái)講代碼效率很高,但是由于沒(méi)有詳細(xì)的API介紹文檔,所以最好的入門方法就是先讀懂RTOS的源碼和例程,然后進(jìn)行修改,再加上自己的代碼逐漸熟練應(yīng)用。
②AVRX 需要分配的堆棧為35個(gè)字節(jié)加上任務(wù)代碼需要的額外堆棧,具體的大小取決于每個(gè)進(jìn)程用的本地變量個(gè)數(shù)。比較好的確定分配給任務(wù)堆棧大小的方法是:分配很大的堆棧(如70字節(jié)),運(yùn)行一段應(yīng)用程序后看堆棧到多深(因?yàn)镚CC啟動(dòng)時(shí)把所有內(nèi)存都清0了,這樣很容易看到)。不過(guò),為了安全起見(jiàn),用編譯器或仿真器在估計(jì)堆棧的頂端寫入幾個(gè)字節(jié)的0xFFFFF去驗(yàn)證到底達(dá)到了多少字節(jié),然后分配給比測(cè)試結(jié)果多兩個(gè)以上的字節(jié)給這個(gè)任務(wù)。
③啟動(dòng)的最后一個(gè)指令必須跳轉(zhuǎn)到Epilog()。
5 結(jié)論
AVRX 是一個(gè)不錯(cuò)的RTOS,最顯著的特點(diǎn)就是內(nèi)核小,速度快,編譯后大概只需500~700字節(jié),且基本的調(diào)度功能一個(gè)也不少。由于其代碼公開,結(jié)合不同型號(hào) AVR單片機(jī)的特性,可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的裁減和擴(kuò)展,使之能達(dá)到更好的效果。本文為AVR嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了借鑒。