用協(xié)處理器提高IJLC／OS n，Il的實(shí)時(shí)性

引 言
    μC／OS-II最多支持63個(gè)任務(wù)，并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制；同時(shí)，用戶可以根據(jù)需求對(duì)內(nèi)核中的功能模塊進(jìn)行裁剪。將μC／OS-II應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期和降低成本都有重要的意義。
    為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，μC／OS-II采用查表策略，使優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)一旦進(jìn)入就緒態(tài)就立刻可以運(yùn)行。這種查表算法與應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目無(wú)關(guān)，執(zhí)行時(shí)間是固定值，從而保證了系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)性。μC／OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核中唯一一個(gè)執(zhí)行時(shí)間受任務(wù)數(shù)目影響的函數(shù)是時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)子程序需要遍歷所有使用延遲函數(shù)的任務(wù)，故執(zhí)行時(shí)間與任務(wù)數(shù)目有關(guān)，為非固定值。此外，時(shí)鐘節(jié)拍的頻率也不能太高，否則會(huì)因?yàn)镃PU頻繁加載中斷服務(wù)子程序，導(dǎo)致加重了CPU負(fù)荷，影響μC／OS-II的實(shí)時(shí)性。
    Freescale公司的16位HCS12X(簡(jiǎn)稱“S12X”)系列單片機(jī)引入了一個(gè)協(xié)處理器，名為“XGATE”。與普通意義上的浮點(diǎn)協(xié)處理器不同，這個(gè)協(xié)處理器主要用來(lái)處理中斷。如果采用協(xié)處理器來(lái)處理μC／OS-II時(shí)鐘節(jié)拍的中斷，那么主CPU無(wú)需頻繁加載中斷服務(wù)子程序，從而保證μC／OS-II內(nèi)核的所有函數(shù)執(zhí)行時(shí)間都為固定值。這樣，μC／OS-II的實(shí)時(shí)性就得到了保證，還能以提高時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率的方法提高應(yīng)用系統(tǒng)定時(shí)的精度。

1 單片機(jī)中的協(xié)處理器
    HCS12X系列單片機(jī)中的XGATE協(xié)處理器是精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)的處理器，它的工作時(shí)鐘頻率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系統(tǒng)時(shí)可決定使用或禁用XGATE。若使用，則XGATE在初始化后就獨(dú)立地運(yùn)行，并通過(guò)雙端口RAM與CPU交換數(shù)據(jù)，必要時(shí)向主CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。
    XGATE處理完所有的中斷后進(jìn)入休眠態(tài)，停止運(yùn)行，直到下一次中斷發(fā)生。XGATE比較適合響應(yīng)的中斷主要是加載頻率高的中斷，或不帶通信緩沖區(qū)的I／O中斷，例如SCI發(fā)送或接收中斷、PWM輸出中斷等。而對(duì)于本身帶發(fā)送、接收緩沖區(qū)的中斷(如CAN中斷、USB中斷等)，采用協(xié)處理器處理中斷優(yōu)勢(shì)不明顯。
    μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷是一個(gè)頻繁發(fā)生的中斷，所以很適合采用XGATE來(lái)響應(yīng)。以下重點(diǎn)介紹如何用XGATE協(xié)處理器響應(yīng)μC／0S—II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷。

2 用XGATE實(shí)現(xiàn)μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍
    μC／0S-11的時(shí)鐘節(jié)拍中斷可以采用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷(Real-Time Interrupt，RTI)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然也可以使用定時(shí)器中的計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍，原理相同，方法近似。使用XGATE來(lái)響應(yīng)RTI中斷，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)，XGATE協(xié)處理器和主CPU的分工如表1所列。

    XGATE負(fù)責(zé)響應(yīng)RTI中斷，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍，并完成任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)；在任務(wù)延時(shí)完成后，通知CPU進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。另外，XGATE還用來(lái)響應(yīng)其他中斷，在需要任務(wù)調(diào)度時(shí)通知CPU。主CPU則只負(fù)責(zé)運(yùn)行任務(wù)(包括系統(tǒng)任務(wù))和任務(wù)調(diào)度，只有在需要任務(wù)調(diào)度時(shí)才會(huì)加載中斷服務(wù)子程序。使用XGATE來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍的具體設(shè)置步驟如下所述。
2．1 將RTI中斷的控制權(quán)交給XGATE
    為了將RTI中斷交由XGATE來(lái)處理，系統(tǒng)初始化時(shí)需要設(shè)置S12X單片機(jī)中RTI中斷對(duì)應(yīng)的中斷控制寄存器。中斷控制寄存器組成如下：

    在S12X單片機(jī)中，每一個(gè)I／O中斷都有一個(gè)中斷控制寄存器與之對(duì)應(yīng)。中斷控制寄存器控制相應(yīng)的中斷是由S12X CPU響應(yīng)還是由XGATE來(lái)響應(yīng)，以及該中斷的優(yōu)先級(jí)。
    中斷控制寄存器中，RQST位為1時(shí)，中斷由XGATE來(lái)響應(yīng)；為0時(shí)，中斷由S12X CPU響應(yīng)。為了使用XGATE來(lái)響應(yīng)RTI中斷，需要將RTI中斷對(duì)應(yīng)的中斷控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL[2：0]保存的是對(duì)應(yīng)中斷的優(yōu)先級(jí)，值越大，對(duì)應(yīng)中斷的優(yōu)先級(jí)越高。如果這3位均為0，那么對(duì)應(yīng)中斷會(huì)被禁用。
    設(shè)置中斷控制寄存器可以調(diào)用編譯器提供的一個(gè)函數(shù)ROUTE_INTERRUPT。這個(gè)函數(shù)需要的參數(shù)是對(duì)應(yīng)中斷的中斷向量相對(duì)中斷向量表基址(0xFF00)的偏移量，以及中斷控制寄存器的值。設(shè)置RTI中斷控制寄存器的代碼如下：
    RUUTE＿INTERRUPT (0xF0，0x81)；
    其中，0xF0是RTI中斷向量相對(duì)中斷向量表基址的偏移量，0x81是要設(shè)置的中斷控制寄存器的值。
2．2 XGATE與S12X CPU的數(shù)據(jù)共享
    XGATE實(shí)現(xiàn)μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍和S12X CPU實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，都需要訪問(wèn)與系統(tǒng)的任務(wù)控制塊鏈表相關(guān)的變量，因此這些變量需要聲明為XGATE和S12X CPU的共享變量。共享變量的聲明需要加上“volatile”類型聲明，并使用“#pragma”預(yù)處理命令將其放在共享內(nèi)存中。

    S12 CPU的程序中聲明如下:

    在XGATE的程序中，需要使用extern聲明這些變量，具體語(yǔ)句如下：

2．3 XGATE與S12X CPU的指針變量變換
    因?yàn)閄GATE的內(nèi)存空間編址與S12X CPU的內(nèi)存空間編址不一樣，所以在指針變量共享時(shí)會(huì)存在問(wèn)題。CPU的內(nèi)存空間和XGATE的內(nèi)存空間的差別如圖1所示。

    從圖1中可以看出，在S12X CPU的尋址空間中，0x1000～0x3FFF為RAM空間；而對(duì)XGATE來(lái)說(shuō)，RAM空間的地址范圍為Ox8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指針變量，則會(huì)導(dǎo)致XGATE訪問(wèn)地址空間0x1000～0x3FFF，該區(qū)域?qū)τ赬GATE是Flash，從而出錯(cuò)。為了正確地共享指針變量，在XGATE中使用S12x CPU的指針變量時(shí)，需要對(duì)指針變量進(jìn)行變換。S12X系列中不同單片機(jī)成員的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512單片機(jī)為例，其內(nèi)部共有8 KB非分頁(yè)RAM，可全都設(shè)為S12X CPU和
XGATE的共享內(nèi)存。這8 KB RAM在S12X CPU中的地址為0x2000～0x3FFF；而在XGATE中的地址為0xE000～0xFFFF，地址偏差為0xC000。因此，在XGATE使用S12X CPU的指針變量時(shí)，將指針變量的值加偏移量0xC000，就可以在XGATE程序中正常使用。
    下面是XGATE程序中一個(gè)指針變量變換的代碼：

    在XGATE協(xié)處理器中有8個(gè)寄存器，編譯器使用其中的R1來(lái)傳遞參數(shù)，上面程序中的R2、R3是8個(gè)寄存器中的另外2個(gè)。
2．4 XGATE與S12X CPU的通信
    XGATE處理RTI中斷時(shí)先完成指針變換，然后遍歷μC／OS-II的所有任務(wù)控制塊鏈表，對(duì)需要延時(shí)的任務(wù)進(jìn)行延時(shí)計(jì)數(shù)器減1操作。若無(wú)需任務(wù)調(diào)度，則XGATE回到休眠態(tài)，直到響應(yīng)下一次中斷。僅當(dāng)某任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)器遞減到零時(shí)，該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要任務(wù)調(diào)度時(shí)才通知S12X CPU進(jìn)行任務(wù)切換。
    在XGATE的中斷服務(wù)子程序中，中斷標(biāo)志指令SIF用于向S12X CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。該指令置位中斷標(biāo)志位，請(qǐng)求S12X CPU繼續(xù)響應(yīng)本次RTI中斷。在XGATE的中斷服務(wù)子程序中使用SIF 指令的代碼如下(其中R5是協(xié)處理器XGATE的8個(gè)寄存器之一)：

    由于遍歷任務(wù)控制塊鏈表和各任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)器減1的操作，以及無(wú)需任務(wù)調(diào)度的RTI中斷響應(yīng)都由XGATE完成了，S12X CPU只需要響應(yīng)確實(shí)需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的RTI中斷，使其中斷服務(wù)子程序大大簡(jiǎn)化：

    這樣，CPU的RTI中斷服務(wù)子程序所要執(zhí)行的代碼是固定的，每次的運(yùn)行時(shí)間也是固定值，因而μC／OS-II的實(shí)時(shí)性得到了確切的保證。
    S12X CPU和XGATE的程序流程如圖2所示。

2．5 設(shè)置XGATE向量表
    為了使XGATE正常響應(yīng)中斷，需要把XGATE的RTI中斷服務(wù)子程序地址寫(xiě)到XGATE的中斷向量表中。XGATE的中斷向量表的寫(xiě)法與CPU的中斷向量寫(xiě)法類似，只是XGATE的中斷子程序可代入一個(gè)參數(shù)，需要將這個(gè)參數(shù)也寫(xiě)入中斷向量表。
    在XGATE中斷向量表的確定位置，寫(xiě)入RTI中斷服務(wù)子程序地址和參數(shù)變量，就可以使XGATE在響應(yīng)RTI中斷時(shí)進(jìn)入RTI中斷服務(wù)子程序。
    XGATE的中斷向量表的寫(xiě)法如下：

    其中，OSTCBList是XGATE響應(yīng)RTI中斷時(shí)需要帶入的參數(shù)，這里這個(gè)參數(shù)是μC／OS-II任務(wù)控制塊鏈表的首地址；XGATE＿TableEntry是一個(gè)編譯器自定義的結(jié)構(gòu)體變量類型；XGATE＿VectorTable[]是XGATE的中斷向量表。寫(xiě)好XGATE的中斷向量表后，使用XGATE實(shí)現(xiàn)μC／OS-II時(shí)鐘節(jié)拍的設(shè)置過(guò)程就完成了。

3 效果測(cè)試與分析
    為了驗(yàn)證用協(xié)處理器處理時(shí)鐘節(jié)拍中斷的效果，進(jìn)行如下測(cè)試：在同-S12x單片機(jī)上，分別使用和不使用XGATE處理μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷。在兩種情況下，建立同樣的10個(gè)任務(wù)，時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序中同樣只進(jìn)行任務(wù)控制塊鏈表遍歷和延時(shí)計(jì)數(shù)器減1，不做任務(wù)調(diào)度。這樣，μC／OS-II中會(huì)有一個(gè)任務(wù)總處于就緒態(tài)并一直運(yùn)行，這個(gè)一直運(yùn)行的任務(wù)會(huì)通過(guò)循環(huán)計(jì)數(shù)的方法在一個(gè)I／O端口上輸出一個(gè)方波。在同樣的總線時(shí)鐘和同樣頻率的時(shí)鐘節(jié)拍下，比較兩種μC／OS-II輸出的方波周期的差別。
    測(cè)試的目的是，觀察μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序的加載，對(duì)正在系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)的影響。為了與XGATE處理任務(wù)控制塊鏈表遍歷和延時(shí)計(jì)數(shù)器減1進(jìn)行對(duì)比，未使用XGATE的μC／OS-II中，S12X CPU的時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序只保留與XGATE同樣的操作。沒(méi)有任務(wù)調(diào)度，也方便對(duì)系統(tǒng)中正在運(yùn)行的任務(wù)輸出的方波進(jìn)行觀察。
    在不使用的XGATE的μC／OS-II中，S12X CPU的RTI中斷的中斷服務(wù)子程序代碼如下：

    以上S12X CPU中斷服務(wù)子程序共有220條指令，需運(yùn)行538個(gè)周期。測(cè)試中采用了16 MHz的總線時(shí)鐘和16 kHz的μC／OS-II時(shí)鐘節(jié)拍。可以估算出，每次中斷服務(wù)子程序在S12X CPU中的運(yùn)行時(shí)間為33．6 μs，約相當(dāng)于62．5μs時(shí)鐘節(jié)拍的53％，即S12X CPU需要用一多半的時(shí)間響應(yīng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，這顯然是不可取的。
    在μC／OS-II中用XGATE處理時(shí)鐘節(jié)拍中斷時(shí)，當(dāng)無(wú)需做任務(wù)調(diào)度時(shí)，XGATE遍歷10個(gè)任務(wù)的控制塊鏈表，執(zhí)行延時(shí)計(jì)數(shù)器減1操作，共需要148條指令。由于XGATE是RISC結(jié)構(gòu)的處理器，指令執(zhí)行時(shí)間多為1～2個(gè)周期，故執(zhí)行148條指令共需要218個(gè)周期。在32MHz時(shí)鐘頻率下，執(zhí)行時(shí)間大約7μs，僅相當(dāng)于62．5 μs時(shí)鐘節(jié)拍的11％。這說(shuō)明，即使使用短至62．5μs的時(shí)鐘
節(jié)拍，對(duì)XGATE的占用率也并不高。
    通過(guò)以上測(cè)試可看出，由單一CPU運(yùn)行μC／OS-II，16 kHz的時(shí)鐘節(jié)拍導(dǎo)致S12X CPU頻繁地加載中斷服務(wù)子程序，占用超過(guò)了50％，嚴(yán)重地影響了任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行。故對(duì)于單一CPU，一般采用的時(shí)鐘節(jié)拍頻率不高于100 Hz，此時(shí)計(jì)時(shí)精度為±10 ms，以避免時(shí)鐘節(jié)拍中斷占用大量CPU運(yùn)行時(shí)間。
    在用XGATE處理μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)，16 kHz的時(shí)鐘節(jié)拍并未對(duì)S12X CPU的任務(wù)運(yùn)行產(chǎn)生影響，這個(gè)頻率的時(shí)鐘節(jié)拍使μC／OS-II的定時(shí)精度高于±62．5 μs。利用協(xié)處理器XGATE來(lái)處理μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍，使主CPU的執(zhí)行時(shí)間為固定值，因而保證了任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行，提升了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，高頻率的時(shí)鐘節(jié)拍也提高了計(jì)時(shí)精度。

4 結(jié) 論
    μC／OS-II中，時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序需要遍歷整個(gè)任務(wù)控制塊鏈表，不同應(yīng)用中任務(wù)數(shù)目不同，遍歷整個(gè)任務(wù)控制塊鏈表所花費(fèi)的時(shí)間就不同。時(shí)鐘節(jié)拍中斷所帶來(lái)的不確定性是影響μC／OS-II實(shí)時(shí)性指標(biāo)的唯一因素。采用協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
    如果使用協(xié)處理器來(lái)響應(yīng)μC／OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷，那么μC／OS—II任務(wù)控制塊鏈表的遍歷和延時(shí)計(jì)數(shù)器減1操作均由協(xié)處理器完成。主CPU只有在需要做任務(wù)調(diào)度時(shí)才會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，因此主CPU運(yùn)行中斷服務(wù)子程序的時(shí)間是固定值。由于主CPU的運(yùn)行時(shí)間不會(huì)被時(shí)鐘節(jié)拍中斷占用，因而可以采用很高頻率的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)提高μC／OS-II的計(jì)時(shí)精度。