在系列单片机上移植uCOS

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1、在系列单片机上移植uCOS2 作者： 日期：在51系列单片机上移植uCOS-II内容摘要:本文详细系统地介绍了uC/OS-II在51单片机上的移植,重入实现方法,硬件仿真,固化,人机界面等关键内容.关键词:嵌入式实时多任务操作系统,uC/OS-II,C51引言:随着各种应用电子系统的复杂化和系统实时性需求的提高,并伴随应用软件朝着系统化方向开展的加速,在16位/32位单片机中广泛使用了嵌入式实时操作系统.然而实际使用中却存在着大量8位单片机,从经济性考虑,对某些应用场合,在8位MCU上使用操作系统是可行的.从学习操作系统角度,uC/OS-II for 51即简单又全面,学习本钱低廉,值得推广.

2、结语:C/OS-II具有免费,简单,可靠性高,实时性好等优点,但也有缺乏便利开发环境等缺点,尤其不像商用嵌入式系统那样得到广泛使用和持续的研究更新.但开放性又使得开发人员可以自行裁减和添加所需的功能,在许多应用领域发挥着独特的作用.当然,是否在单片机系统中嵌入C/OS-II应视所开发的工程而定,对于一些简单的,低本钱的工程来说,就没必要使用嵌入式操作系统了. uC/OS-II原理:uCOSII包括任务调度,时间管理,内存管理,资源管理(信号量,邮箱,消息队列)四大局部,没有文件系统,网络接口,输入输出界面.它的移植只与4个文件相关:汇编文件(OS_CPU_A.ASM),处理器相关C文件(OS_

3、CPU.H,OS_CPU_C.C)配置文件(OS_CFG.H).有64个优先级,系统占用8个,用户可创立56个任务,不支持时间片轮转.它的根本思路就是 近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态 .为了保证这一点,它在调用系统API函数,中断完毕,定时中断完毕时总是执行调度算法.原作者通过事先计算好数据,简化了运算量,通过精心设计就绪表构造,使得延时可预知.任务的切换是通过模拟一次中断实现的.uCOSII工作核心原理是:近似地让最高优先级的就绪任务处于运行状态.操作系统将在下面情况中进展任务调度:调用API函数(用户主动调用),中断(系统占用的时间片中断OsTimeTick(),用户

4、使用的中断).调度算法书上讲得很清楚,我主要讲一下整体思路:(1)在调用API函数时,有可能引起阻塞,如果系统API函数发觉到运行条件不满足,需要切换就调用OSSched()调度函数,这个过程是系统自动完成的,用户没有参与.OSSched()判断是否切换,如果需要切换,那么此函数调用OS_TASK_SW().这个函数模拟一次中断(在51里没有软中断,我用子程序调用模拟,效果一样),好象程序被中断打断了,其实是OS成心制造的假象,目的是为了任务切换.既然是中断,那么返回地址(即紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址)就被自动压入堆栈,接着在中断程序里保存CPU存放器(PUSHAL

5、L).堆栈构造不是任意的,而是严格按照uCOSII标准处理.OS每次切换都会保存和恢复全部现场信息(POPALL),然后用RETI回到任务断点继续执行.这个断点就是OSSched()函数里的紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址.切换的整个过程就是,用户任务程序调用系统API函数,API调用OSSched(),OSSched()调用软中断OS_TASK_SW()即OSCtxSw,返回地址(PC值)压栈,进入OSCtxSw中断处理子程序内部.反之,切换程序调用RETI返回紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址,进而返回OSSched()下一句,再返回API下一句,

6、即用户程序断点.因此,如果任务从运行到就绪再到运行,它是从调度前的断点处运行.(2)中断会引发条件变化,在退出前必须进展任务调度.uCOSII要求中断的堆栈构造符合标准,以便正确协调中断退出和任务切换.前面已经说到任务切换实际是模拟一次中断事件,而在真正的中断里省去了模拟(本身就是中断嘛).只要规定中断堆栈构造和uCOSII模拟的堆栈构造一样,就能保证在中断里进展正确的切换.任务切换发生在中断退出前,此时还没有返回中断断点.仔细观察中断程序和切换程序最后两句,它们是一模一样,POPALL+RETI.即要么直接从中断程序退出,返回断点;要么先保存现场到TCB,等到恢复现场时再从切换函数返回原来的

7、中断断点(由于中断和切换函数遵循共同的堆栈构造,所以退出操作一样,效果也一样).用户编写的中断子程序必须按照uCOSII标准书写.任务调度发生在中断退出前,是非常及时的,不会等到下一时间片才处理.OSIntCtxSw()函数对堆栈指针做了简单调整,以保证所有挂起任务的栈构造看起来是一样的.(3)在uCOSII里,任务必须写成两种形式之一(?uCOSII中文版?p99页).在有些RTOS开发环境里没有要求显式调用OSTaskDel(),这是因为开发环境自动做了处理,实际原理都是一样的.uCOSII的开发依赖于编译器,目前没有专用开发环境,所以出现这些不便之处是可以理解的.移植过程:(1)拷贝书后

8、附赠光盘sourcecode目录下的内容到C:YY下,删除不必要的文件和EX1L.C,只剩下p187(?uCOSII?)上列出的文件.(2)改写最简单的OS_CPU.H数据类型的设定见C51.PDF第176页.注意BOOLEAN要定义成unsigned char 类型,因为bit类型为C51特有,不能用在构造体里.EA=0关中断;EA=1开中断.这样定义即减少了程序行数,又防止了退出临界区后关中断造成的死机.MCS-51堆栈从下往上增长(1=向下,0=向上),OS_STK_GROWTH定义为0,#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() 因为MCS-51没有软中断指令,所以用

9、程序调用代替.两者的堆栈格式一样,RETI指令复位中断系统,RET那么没有.实践说明,对于MCS-51,用子程序调用入栈,用中断返回指令RETI出栈是没有问题的,反之中断入栈RET出栈那么不行.总之,对于入栈,子程序调用与中断调用效果是一样的,可以混用.在没有中断发生的情况下复位中断系统也不会影响系统正常运行.详见?uC/OS-II?第八章193页第12行(3)改写OS_CPU_C.C我设计的堆栈构造如下列图所示:TCB构造体中OSTCBStkPtr总是指向用户堆栈最低地址,该地址空间内存放用户堆栈长度,其上空间存放系统堆栈映像,即:用户堆栈空间大小=系统堆栈空间大小+1.SP总是先加1再存数

10、据,因此,SP初始时指向系统堆栈起始地址(OSStack)减1处(OSStkStart).很明显系统堆栈存储空间大小=SP-OSStkStart.任务切换时,先保存当前任务堆栈内容.方法是:用SP-OSStkStart得出保存字节数,将其写入用户堆栈最低地址内,以用户堆栈最低地址为起址,以OSStkStart为系统堆栈起址,由系统栈向用户栈拷贝数据,循环SP-OSStkStart次,每次拷贝前先将各自栈指针增1.其次,恢复最高优先级任务系统堆栈.方法是:获得最高优先级任务用户堆栈最低地址,从中取出长度,以最高优先级任务用户堆栈最低地址为起址,以OSStkStart为系统堆栈起址,由用户栈向系统

11、栈拷贝数据,循环长度数值指示的次数,每次拷贝前先将各自栈指针增1.用户堆栈初始化时从下向上依次保存:用户堆栈长度(15),PCL,PCH,PSW,ACC,B,DPL,DPH,R0,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7.不保存SP,任务切换时根据用户堆栈长度计算得出.OSTaskStkInit函数总是返回用户栈最低地址.操作系统tick时钟我使用了51单片机的T0定时器,它的初始化代码用C写在了本文件中.最后还有几点必须注意的事项.本来原那么上我们不用修改与处理器无关的代码,但是由于KEIL编译器的特殊性,这些代码仍要多处改动.因为KEIL缺省情况下编译的代码不可重入,而多任务系统要求并发操

12、作导致重入,所以要在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字.另外,pdata,data在uCOS中用做一些函数的形参,但它同时又是KEIL的关键字,会导致编译错误,我通过把pdata改成ppdata,data改成ddata解决了此问题.OSTCBCur,OSTCBHighRdy,OSRunning,OSPrioCur,OSPrioHighRdy这几个变量在汇编程序中用到了,为了使用Ri访问而不用DPTR,应该用KEIL扩展关键字IDATA将它们定义在内部RAM中.(4)重写OS_CPU_A.ASMA51宏汇编的大致构造如下:NAME 模块名 ;与文件名无关;定义重定位段 必须按照C5

13、1格式定义,汇编遵守C51标准.段名格式为: PR 函数名 模块名;声明引用全局变量和外部子程序 注意关键字为EXTRN没有E全局变量名直接引用无参数/无存放器参数函数 FUNC带存放器参数函数 _FUNC重入函数 _ FUNC;分配堆栈空间只关心大小,堆栈起点由keil决定,通过标号可以获得keil分配的SP起点.切莫自己分配堆栈起点,只要用DS通知KEIL预留堆栈空间即可.STACK段名与STARTUP.A51中的段名一样,这意味着KEIL在LINK时将把两个同名段拼在一起,我预留了40H个字节,STARTUP.A51预留了1个字节,LINK完成后堆栈段总长为41H.查看yy.m51知KE

14、IL将堆栈起点定在21H,长度41H,处于内部RAM中.;定义宏宏名 MACRO 实体 ENDM;子程序OSStartHighRdyOSCtxSwOSIntCtxSwOSTickISRSerialISREND ;声明汇编源文件完毕一般指针占3字节.+0类型+1高8位数据+2低8位数据 详见C51.PDF第178页低位地址存高8位值,高位地址存低8位值.例如0x1234,基址+0:0x12 基址+1:0x34(5)移植串口驱动程序在此之前我写过基于中断的串口驱动程序,包括打印字节/字/长字/字符串,读串口,初始化串口/缓冲区.把它改成重入函数即可直接使用.系统提供的显示函数是并发的,它不是直接显

15、示到串口,而是先输出到显存,用户不必担忧IO慢速操作影响程序运行.串口输入也采用了同样的技术,他使得用户在CPU忙于处理其他任务时照样可以盲打输入命令.(6)编写测试程序Demo(YY.C)Demo程序创立了3个任务A,B,C优先级分别为2,3,4,A每秒显示一次,B每3秒显示一次,C每6秒显示一次.从显示结果看,显示3个A后显示1个B,显示6个A和2个B后显示1个C,结果显然正确.显示结果如下:AAAAAA111111 is activeAAAAAA111111 is activeAAAAAA111111 is activeBBBBBB333333 is activeAAAAAA111111 is activeAAAAAA111111 is activeAAAAAA111111 is activeBBBBBB333333 is activeCCCCCC666666 is activeAAAAAA111111 is activeAAAAAA111111 is act