引言：
隨著各種應用電子系統(tǒng)的復雜化和系統(tǒng)實時性需求的提高，并伴隨應用軟件朝著系統(tǒng)化方向發(fā)展的加速，在16位/32位單片機中廣泛使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)。然而實際使用中卻存在著大量8位單片機，從經濟性考慮，對某些應用場合，在8位MCU上使用操作系統(tǒng)是可行的。從學習操作系統(tǒng)角度，uC/OS-II for 51即簡單又全面，學習成本低廉，值得推廣。
結語：μC/OS-II具有免費、簡單、可靠性高、實時性好等優(yōu)點，但也有缺乏便利開發(fā)環(huán)境等缺點，尤其不像商用嵌入式系統(tǒng)那樣得到廣泛使用和持續(xù)的研究更新。但開放性又使得開發(fā)人員可以自行裁減和添加所需的功能，在許多應用領域發(fā)揮著獨特的作用。當然，是否在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II應視所開發(fā)的項目而定，對于一些簡單的、低成本的項目來說，就沒必要使用嵌入式操作系統(tǒng)了。
uC/OS-II原理：
uCOSII包括任務調度、時間管理、內存管理、資源管理(信號量、郵箱、消息隊列)四大部分，沒有文件系統(tǒng)、網絡接口、輸入輸出界面。它的移植只與4個文件相關：匯編文件(OS_CPU_A.ASM)、處理器相關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個任務，不支持時間片輪轉。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處于運行狀態(tài)” 。為了保證這一點，它在調用系統(tǒng)API函數(shù)、中斷結束、定時中斷結束時總是執(zhí)行調度算法。原作者通過事先計算好數(shù)據(jù)，簡化了運算量，通過精心設計就緒表結構，使得延時可預知。任務的切換是通過模擬一次中斷實現(xiàn)的。
uCOSII工作核心原理是：近似地讓最高優(yōu)先級的就緒任務處于運行狀態(tài)。
操作系統(tǒng)將在下面情況中進行任務調度：調用API函數(shù)(用戶主動調用)，中斷(系統(tǒng)占用的時間片中斷OsTimeTick(),用戶使用的中斷)。
調度算法書上講得很清楚，我主要講一下整體思路。
(1)在調用API函數(shù)時，有可能引起阻塞,如果系統(tǒng)API函數(shù)察覺到運行條件不滿足，需要切換就調用OSSched()調度函數(shù)，這個過程是系統(tǒng)自動完成的，用戶沒有參與。OSSched()判斷是否切換，如果需要切換，則此函數(shù)調用OS_TASK_SW()。這個函數(shù)模擬一次中斷(在51里沒有軟中斷，我用子程序調用模擬，效果相同)，好象程序被中斷打斷了，其實是OS故意制造的假象，目的是為了任務切換。既然是中斷，那么返回地址(即緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址)就被自動壓入堆棧，接著在中斷程序里保存CPU寄存器(PUSHALL)……。堆棧結構不是任意的，而是嚴格按照uCOSII規(guī)范處理。OS每次切換都會保存和恢復全部現(xiàn)場信息(POPALL)，然后用RETI回到任務斷點繼續(xù)執(zhí)行。這個斷點就是OSSched()函數(shù)里的緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址。切換的整個過程就是，用戶任務程序調用系統(tǒng)API函數(shù)，API調用OSSched()，OSSched()調用軟中斷OS_TASK_SW()即OSCtxSw，返回地址(PC值)壓棧，進入OSCtxSw中斷處理子程序內部。反之，切換程序調用RETI返回緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址，進而返回OSSched()下一句，再返回API下一句，即用戶程序斷點。因此，如果任務從運行到就緒再到運行，它是從調度前的斷點處運行。
(2)中斷會引發(fā)條件變化，在退出前必須進行任務調度。uCOSII要求中斷的堆棧結構符合規(guī)范，以便正確協(xié)調中斷退出和任務切換。前面已經說到任務切換實際是模擬一次中斷事件，而在真正的中斷里省去了模擬(本身就是中斷嘛)。只要規(guī)定中斷堆棧結構和uCOSII模擬的堆棧結構一樣，就能保證在中斷里進行正確的切換。任務切換發(fā)生在中斷退出前，此時還沒有返回中斷斷點。仔細觀察中斷程序和切換程序最后兩句，它們是一模一樣的，POPALL+RETI。即要么直接從中斷程序退出，返回斷點;要么先保存現(xiàn)場到TCB，等到恢復現(xiàn)場時再從切換函數(shù)返回原來的中斷斷點(由于中斷和切換函數(shù)遵循共同的堆棧結構，所以退出操作相同，效果也相同)。用戶編寫的中斷子程序必須按照uCOSII規(guī)范書寫。任務調度發(fā)生在中斷退出前，是非常及時的，不會等到下一時間片才處理。OSIntCtxSw()函數(shù)對堆棧指針做了簡單調整，以保證所有掛起任務的棧結構看起來是一樣的。
(3)在uCOSII里，任務必須寫成兩種形式之一(《uCOSII中文版》p99頁)。在有些RTOS開發(fā)環(huán)境里沒有要求顯式調用OSTaskDel()，這是因為開發(fā)環(huán)境自動做了處理，實際原理都是一樣的。uCOSII的開發(fā)依賴于編譯器，目前沒有專用開發(fā)環(huán)境，所以出現(xiàn)這些不便之處是可以理解的。
移植過程：
(1)拷貝書后附贈光盤sourcecode目錄下的內容到C:YY下，刪除不必要的文件和EX1L.C，只剩下p187(《uCOSII》)上列出的文件。
(2)改寫最簡單的OS_CPU.H
數(shù)據(jù)類型的設定見C51.PDF第176頁。注意BOOLEAN要定義成unsigned char 類型，因為bit類型為C51特有，不能用在結構體里。
EA=0關中斷;EA=1開中斷。這樣定義即減少了程序行數(shù)，又避免了退出臨界區(qū)后關中斷造成的死機。
MCS-51堆棧從下往上增長(1=向下，0=向上)，OS_STK_GROWTH定義為0#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() 因為MCS-51沒有軟中斷指令，所以用程序調用代替。兩者的堆棧格式相同，RETI指令復位中斷系統(tǒng)，RET則沒有。實踐表明，對于MCS-51，用子程序調用入棧，用中斷返回指令RETI出棧是沒有問題的，反之中斷入棧RET出棧則不行。總之，對于入棧，子程序調用與中斷調用效果是一樣的，可以混用。在沒有中斷發(fā)生的情況下復位中斷系統(tǒng)也不會影響系統(tǒng)正常運行。詳見《uC/OS-II》第八章193頁第12行
(3)改寫OS_CPU_C.C
我設計的堆棧結構如下圖所示：
TCB結構體中OSTCBStkPtr總是指向用戶堆棧最低地址，該地址空間內存放用戶堆棧長度，其上空間存放系統(tǒng)堆棧映像，即：用戶堆棧空間大小=系統(tǒng)堆棧空間大小+1。
SP總是先加1再存數(shù)據(jù)，因此，SP初始時指向系統(tǒng)堆棧起始地址(OSStack)減1處(OSStkStart)。很明顯系統(tǒng)堆棧存儲空間大小=SP-OSStkStart。
任務切換時，先保存當前任務堆棧內容。方法是：用SP-OSStkStart得出保存字節(jié)數(shù)，將其寫入用戶堆棧最低地址內，以用戶堆棧最低地址為起址，以OSStkStart為系統(tǒng)堆棧起址，由系統(tǒng)棧向用戶?？截悢?shù)據(jù)，循環(huán)SP-OSStkStart次，每次拷貝前先將各自棧指針增1。[!--empirenews.page--]
其次，恢復最高優(yōu)先級任務系統(tǒng)堆棧。方法是：獲得最高優(yōu)先級任務用戶堆棧最低地址，從中取出“長度”，以最高優(yōu)先級任務用戶堆棧最低地址為起址，以OSStkStart為系統(tǒng)堆棧起址，由用戶棧向系統(tǒng)?？截悢?shù)據(jù)，循環(huán)“長度”數(shù)值指示的次數(shù)，每次拷貝前先將各自棧指針增1。
用戶堆棧初始化時從下向上依次保存：用戶堆棧長度(15)，PCL，PCH，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任務切換時根據(jù)用戶堆棧長度計算得出。
OSTaskStkInit函數(shù)總是返回用戶棧最低地址。
操作系統(tǒng)tick時鐘我使用了51單片機的T0定時器，它的初始化代碼用C寫在了本文件中。
最后還有幾點必須注意的事項。本來原則上我們不用修改與處理器無關的代碼，但是由于KEIL編譯器的特殊性，這些代碼仍要多處改動。因為KEIL缺省情況下編譯的代碼不可重入，而多任務系統(tǒng)要求并發(fā)操作導致重入，所以要在每個C函數(shù)及其聲明后標注reentrant關鍵字。另外，“pdata”、“data”在uCOS中用做一些函數(shù)的形參，但它同時又是KEIL的關鍵字，會導致編譯錯誤，我通過把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解決了此問題。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy這幾個變量在匯編程序中用到了，為了使用Ri訪問而不用DPTR，應該用KEIL擴展關鍵字IDATA將它們定義在內部RAM中。
(4)重寫OS_CPU_A.ASM
A51宏匯編的大致結構如下：
NAME 模塊名 ;與文件名無關
定義重定位段 必須按照C51格式定義，匯編遵守C51規(guī)范。段名格式為：?PR?函數(shù)名?模塊名
聲明引用全局變量和外部子程序 注意關鍵字為“EXTRN”沒有‘E’
全局變量名直接引用
無參數(shù)/無寄存器參數(shù)函數(shù) FUNC
帶寄存器參數(shù)函數(shù) _FUNC
重入函數(shù) _?FUNC
分配堆棧空間
只關心大小，堆棧起點由keil決定，通過標號可以獲得keil分配的SP起點。切莫自己分配堆棧起點，只要用DS通知KEIL預留堆?？臻g即可。
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