實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II在51單片機(jī)上的移植

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

1 μC／OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述
μC／OS-II實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)間管理、內(nèi)存管理、事件管理(信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列)4大部分。它的移植與4個(gè)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(gè)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)占用8個(gè)，用戶可創(chuàng)建56任務(wù)，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。
它的基本思路就是“近似地每時(shí)每刻總是讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)”。為了保證這一點(diǎn)，它在調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)、中斷結(jié)束、定時(shí)中斷結(jié)束時(shí)總是執(zhí)行調(diào)度算法。原作者通過(guò)事先計(jì)算好數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了運(yùn)算量，通過(guò)精心設(shè)計(jì)就緒表結(jié)構(gòu)，使得延時(shí)可預(yù)知。任務(wù)的切換是通過(guò)模擬一次中斷實(shí)現(xiàn)的。

2 任務(wù)調(diào)度的實(shí)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(gè)函數(shù)有4個(gè)都和任務(wù)有關(guān)。任務(wù)調(diào)度就是保存當(dāng)前任務(wù)的寄存器和PC指針(即當(dāng)前任務(wù)的斷點(diǎn))，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(diǎn)。這些的實(shí)現(xiàn)要借助于堆棧和中斷，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，先看函數(shù)調(diào)用時(shí)堆棧的使用情況。在函數(shù)調(diào)用時(shí)，堆棧的一個(gè)重要功能就是保存被調(diào)函數(shù)的斷點(diǎn)地址。若有4個(gè)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(wú)子程序調(diào)用)。

假設(shè)現(xiàn)在從Fun1一直運(yùn)行到Fun4，此時(shí)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(duì)應(yīng)的調(diào)用函數(shù)。運(yùn)行Fun4時(shí)，此時(shí)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(yùn)行及堆棧結(jié)構(gòu)圖為1-2行地址。

當(dāng)函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B時(shí)，進(jìn)入函數(shù)B時(shí)就會(huì)把函數(shù)A的斷點(diǎn)地址壓棧，而當(dāng)函數(shù)B運(yùn)行結(jié)束時(shí)則把堆棧中函數(shù)A的斷點(diǎn)地址彈出到PC指針，程序接著從函數(shù)A的斷點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)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(yùn)行結(jié)束時(shí)就不會(huì)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(shí)的基本情況，如果是中斷則堆棧不僅保存斷點(diǎn)地址還會(huì)自動(dòng)保存寄存器的值。任務(wù)調(diào)度就是靠中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，中斷中所保存的斷點(diǎn)地址就是任務(wù)的斷點(diǎn)地址，當(dāng)本任務(wù)要再次執(zhí)行時(shí)就把斷點(diǎn)地址賦給PC就可以接著任務(wù)被中斷時(shí)地址順序執(zhí)行。

3 頭文件移植

與移植相關(guān)的4個(gè)文件中有2個(gè)頭文件，這2個(gè)頭文件的移植比較簡(jiǎn)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(zhǎng)方向的定義、開(kāi)關(guān)中斷的定義以及函數(shù)級(jí)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(jí)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(gè)文件中有14個(gè)函數(shù)，其中9個(gè)是接口函數(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定，有5個(gè)是必須寫(xiě)的。這5個(gè)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(gè)函數(shù)來(lái)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?yàn)橄到y(tǒng)為每個(gè)任務(wù)申請(qǐng)了一個(gè)數(shù)組作為棧，當(dāng)一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，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(shí)將要?jiǎng)?chuàng)建任務(wù)的堆棧進(jìn)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(gè)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，需小心管理堆棧空間。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?？臻g，而是把各任務(wù)堆?？臻g的內(nèi)容復(fù)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(dāng)中斷函數(shù)不指定寄存器組時(shí)，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(gè)字節(jié)，所以把堆棧數(shù)組設(shè)計(jì)成至少15個(gè)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?yàn)槊總€(gè)數(shù)組里放的是寄存器的值，在此就把這每個(gè)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(jì)成15個(gè)字節(jié)，依次存放PC、ACC、B、DPTR、PSW、R0～R7。
函數(shù)OSTaskStkInit()傳遞4個(gè)參數(shù)，第1個(gè)參數(shù)task是所創(chuàng)建任務(wù)的起始地址，這個(gè)參數(shù)須保存到PC在寄存器數(shù)組的對(duì)應(yīng)位置，第2個(gè)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(lái)傳遞參數(shù)指針，這個(gè)參數(shù)須存放到R1～R3在寄存器數(shù)組中的對(duì)應(yīng)位置。第3個(gè)參數(shù)ptos是棧底指針，從當(dāng)前地址開(kāi)始初始化堆棧指針，第4個(gè)參數(shù)opt是附加參數(shù)，一般不用。
4．2 運(yùn)行等待任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy()
此函數(shù)在啟動(dòng)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(guò)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(gè)，若此參數(shù)正確，則可保證任務(wù)函數(shù)運(yùn)行正確。在調(diào)用OSStartHighRdy()之前OSStart()已經(jīng)把最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的任務(wù)表準(zhǔn)備好了，只要把最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)表的數(shù)據(jù)恢復(fù)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(jí)任務(wù)中而不是返回到被調(diào)函數(shù)中。
當(dāng)函數(shù)OSStart()調(diào)用函數(shù)OSStartHighRdy()時(shí)，斷點(diǎn)地址入棧；當(dāng)OSStartHighRdy()執(zhí)行完之后，返回?cái)帱c(diǎn)。在OSStartHighRdy()中把SP及SP-1的值改為最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的地址，這樣OSStartHighRdy()就會(huì)返回到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中去運(yùn)行。
4．3 任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw()
此函數(shù)是保存當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，然后運(yùn)行處于就緒態(tài)中的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。前面介紹過(guò)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(fù)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(gè)宏OS_TASK_SW()，這個(gè)宏的目的是讓程序進(jìn)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(diǎn)，ADD_C為TimeDly()的斷點(diǎn)，ADD_B為MyTask()的斷點(diǎn)。如果進(jìn)行任務(wù)切換，應(yīng)該把高優(yōu)先級(jí)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(jiǎn)單的情況，當(dāng)任務(wù)比較復(fù)雜時(shí)，可能更改了ACC、PSW、DPTR或R0～R7的值，在進(jìn)入高優(yōu)先任務(wù)時(shí)，寄存器并不是此任務(wù)的寄存器值，運(yùn)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(gè)階段。第一個(gè)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(dāng)剛進(jìn)入OSCtxSw()時(shí)，CPU寄存器的值是要掛起任務(wù)的寄存器值，所以一開(kāi)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(jìn)入OSCtxSw()時(shí)，CPU寄存器的值被自動(dòng)壓棧；如果把OS_TASK_SW()定義為函數(shù)時(shí)，在進(jìn)入函數(shù)時(shí)使用內(nèi)嵌匯編的方法把CPU寄存器入棧。這時(shí)堆棧中又壓入了13個(gè)字節(jié)，就如在圖1的ADD_D上又壓入了13個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后從堆棧中把值取出來(lái)放到相應(yīng)任務(wù)的寄存器數(shù)組中。第二個(gè)階段是把將要執(zhí)行任務(wù)的寄存器數(shù)組的值復(fù)制到堆棧中。此時(shí)PC指針在堆棧中對(duì)應(yīng)的位置是SP-17與SP-18，SP到SP-12的13個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)ACC、B、DPTR、PSW、R0～R7。
4．4 中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSINTCtxSw()
此函數(shù)和上一個(gè)函數(shù)基本思想一致，都要保存當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，運(yùn)行處于就緒態(tài)中的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。二者的不同在于，上個(gè)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(gè)寄存器的位置。當(dāng)中斷來(lái)時(shí)，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(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。在進(jìn)入函數(shù)OSIntExit()之前寄存器的值已經(jīng)入棧，所以運(yùn)行到本函數(shù)時(shí)堆棧中SP-17與SP-18是PC值的位置。SP-4到SP-16是13個(gè)寄存器的位置。在圖1上，上個(gè)函數(shù)的13個(gè)寄存器的值被壓入ADD_D上面的13個(gè)字節(jié)中，而本函數(shù)是在ADD_B于ADD_C之間壓入的這13個(gè)寄存器。
4．5周期節(jié)拍中斷函數(shù)OSTICkISR()
這個(gè)函數(shù)是給系統(tǒng)提供一個(gè)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(huì)占用大量硬件資源；如果太低，任務(wù)間的切換又會(huì)很慢。
此函數(shù)首先要保證產(chǎn)生一個(gè)周期性的中斷，可以使用硬件定時(shí)器，也可以從交流電中獲得50／60Hz的時(shí)鐘頻率。這個(gè)函數(shù)至少要做3件事：1)進(jìn)入中斷時(shí)，把中斷嵌套層數(shù)計(jì)數(shù)器加1，說(shuō)明又進(jìn)入一次中斷，也可以直接調(diào)用OSIntEnter()函數(shù)；2)調(diào)用時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()，告知系統(tǒng)又經(jīng)過(guò)了一個(gè)節(jié)拍；3)調(diào)用OSIntExit()函數(shù)，說(shuō)明要退出中斷了，此函數(shù)會(huì)自動(dòng)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)
文中闡述了在堆棧空間有限的51單片機(jī)上運(yùn)行μC／OS-II系統(tǒng)的移植過(guò)程，利用系統(tǒng)棧SP作為數(shù)據(jù)交換的樞紐。在實(shí)際應(yīng)用中，如果用系統(tǒng)棧來(lái)移植，只需根據(jù)文中的基本思想進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膶?xiě)，即可運(yùn)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(gè)任務(wù)開(kāi)辟一個(gè)棧，通過(guò)改變堆棧指針指向不同任務(wù)的?？臻g，來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。
通過(guò)在51單片機(jī)上的運(yùn)行，可以看出μC／OS-II也能在堆?？臻g比較少的CPU上運(yùn)行。