實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)µC/OS-Ⅱ在DSP上的移植

0. 引言

µC/OS-Ⅱ內(nèi)核是一個(gè)強(qiáng)占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度的系統(tǒng)，能管理63個(gè)任務(wù)，支持旗語(yǔ)、信號(hào)量、互斥信號(hào)量、隊(duì)列和消息郵箱，是一個(gè)是典型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它最早由Jean J. Labrosse創(chuàng)作，源碼完全公開，已有眾多應(yīng)用范例，可靠性能得到保證，內(nèi)核小，移植性好。TI的C2000系列DSP處理器 TMS320LF2407A片內(nèi)集成16路10位AD，4個(gè)通用定時(shí)器，8個(gè)16位PWM通道，4個(gè)CAP捕獲單元，41路I/O通道，以及SPI、 RS232、CAN等通信接口，豐富的片內(nèi)資源，使得控制器不需任何擴(kuò)展就能滿足所有的功能要求，且冗余很少。

DSP處理器在數(shù)學(xué)運(yùn)算方面的優(yōu)勢(shì)也為智能化過程所需的數(shù)據(jù)處理提供了支持。TMS320LF2407A指令采用4級(jí)流水線操作，最高能以40M的系統(tǒng)時(shí)鐘工作，再加上合適的RTOS的調(diào)度，完全能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。其開發(fā)系統(tǒng)TMS320C2XX Code Composer Studio滿足µC/OS-Ⅱ的移植條件，因此，它是嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主控制芯片的一個(gè)較好選擇。筆者在設(shè)計(jì)基于CAN的工程機(jī)械嵌入式智能顯示儀時(shí)，選用2407A做主控制芯片，軟件方面，將實(shí)時(shí)內(nèi)核µC/OS-Ⅱ移植到該DSP 控制器TMS320LF2407A上，而應(yīng)用程序是在µC/OS-Ⅱ內(nèi)核基礎(chǔ)上的一系列任務(wù)。

1. µC/OS-Ⅱ的移植

由于µC/OS-Ⅱ在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以µC/OS-Ⅱ的移植相對(duì)來說比較容易。移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：(1)用#define設(shè)置一個(gè)常量的值(OS_CPU.H)(2)聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類型(OS_CPU.H)(3)用#define聲明三個(gè)宏 (OS_CPU.H)(4)用C語(yǔ)言編寫六個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)(5)編寫四個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM);即µC/OS-Ⅱ的移植要修改3個(gè)文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM。其中匯編語(yǔ)言文件OS_CPU_A.ASM是可選擇的，因?yàn)槟承〤編譯器允許用戶在C語(yǔ)言中插入?yún)R編語(yǔ)言，所以用戶可以將所需的匯編語(yǔ)言代碼直接放到OS_CPU_C.C中。CCS的C編譯器允許在 C語(yǔ)言中嵌入?yún)R編語(yǔ)言，但是由于這種方式破壞了C語(yǔ)言的完整性，因此只提倡在程序開始系統(tǒng)初始化部分少量采用。而在C語(yǔ)言中嵌入實(shí)現(xiàn)某一完整功能的多句匯編語(yǔ)言時(shí)，就不提倡采用這種方法。所以，移植中還是對(duì)OS_CPU_A.ASM做了修改。

2. 編寫移植代碼

移植µC/OS-Ⅱ的主要工作是聲明與硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)類型，定義與中斷有關(guān)的宏定義，定義堆棧增長(zhǎng)方向宏定義，編寫堆棧初始化函數(shù)，HOOK接口函數(shù)，任務(wù)級(jí)上下文切換函數(shù)，中斷級(jí)上下文切換函數(shù)以及系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)服務(wù)函數(shù)等。

2.1 移植OS_CPU.H文件

(1)一個(gè)常量值。OSInit需要知道當(dāng)OS_TaskIdle() 和OS_TaskStat( ) 函數(shù)建立任務(wù)時(shí)，堆棧的頂端地址在哪里;其次調(diào)用OSTaskStkChk( )時(shí)，µC/OS-Ⅱ需要知道堆棧的底端地址在哪里。所以需要指明堆棧的增長(zhǎng)方向。絕大多數(shù)微處理器和微控制器的堆棧是從上往下遞減的，但是也有某些處理器使用的是相反的方式。TMS320LF2407A的堆棧方向是從下往上增長(zhǎng)的，所以： #define OS_STK_GROWTH 0;// 堆棧方向是從下往上增長(zhǎng)

(2) 聲明數(shù)據(jù)類型。µC/OS-Ⅱ考慮到通用性，在內(nèi)核中使用了自定義數(shù)據(jù)類型，與編譯器無關(guān)，這就要求移植時(shí)必須定義微處理器的數(shù)據(jù)類型與µC/OS-Ⅱ的數(shù)據(jù)類型相一致，保證移植后的µC/OS-Ⅱ在微處理器平臺(tái)上運(yùn)行，在移植中應(yīng)將其聲明為CCS編譯器可識(shí)別的類型。這可以由OS_CPU.h頭文件實(shí)現(xiàn)，程序如下所示。

typedef unsigned char BOOLEAN;/*定義ucos里的boolean為unsigned char*/

typedef unsigned char INT8U; /*定義ucos里的INT8U為unsigned char*/

typedef signed char INT8S; /*定義ucos里的INT8S為signed char*/

typedef unsigned int INT16U; /*定義ucos里的INT16U為unsigned int*/

typedef signed int INT16S; /*定義ucos里的INT16S為signed int*/

typedef unsigned long INT32U; /*定義ucos里的INT32U為unsigned long*/

typedef signed long INT32S; /*定義ucos里的INT32S為signed long */

typedef float FP; /*定義ucos里的FP為float*/

#define OS_STK INT16U /*堆棧入口寬度為16位*/

由于系統(tǒng)沒有用到OS_CPU_SR類型數(shù)據(jù)，所以沒有定義此數(shù)據(jù)類型。

(3)3個(gè)宏定義。µC/OS-Ⅱ在內(nèi)核中通過禁止中斷來保護(hù)臨界區(qū)，因此，需要在C語(yǔ)言中插入禁止和允許中斷的匯編代碼，DSP里用SETC INTM來屏蔽中斷，用CLRC INTM來使能中斷。所以移植代碼定義了下面兩條宏定義：

#define OS_ENTER_CRITICAL() asm(" SETC INTM")

#define OS_EXIT_CRITICAL() asm(" CLRC INTM")

µC/OS-Ⅱ定義了三種保護(hù)臨界區(qū)的方式，此移植版本采用的是最簡(jiǎn)單的第一種方法。此種方法就要求中斷關(guān)閉的情況下不能調(diào)用µC/OS-Ⅱ的功能函數(shù)。這對(duì)于應(yīng)用來說是可以接受的，所以就選擇了此種模式。TMS320LF2407A支持多種中斷方式，包括可屏蔽硬中斷 INT1～I(xiàn)NT6，不可屏蔽硬中斷RESET和NMI_VECT，不可屏蔽軟中斷INT8～I(xiàn)NT16和INT20～I(xiàn)NT31以及中斷陷阱TRAP。因此使用INT31軟中斷來調(diào)用OSCtxSw()來從任務(wù)堆棧中恢復(fù)處理器所用的寄存器。用INT2的定時(shí)器1周期中斷來調(diào)用OSTickISR()。定義模仿INT31中斷的宏，來跳轉(zhuǎn)到INT31

#define OS_TASK_SW() asm(" INTR 31")

在中斷向量表里的定義

.include f2407regs.h

.global _c_int0, _OSTickISR, RESET, _OSCtxSw,_GRIS5,_adint,_nothing

.asect "vectors",0

……

INT2 B _OSTickISR ; B _c_int2

……

INT31 B _OSCtxSw ; task switching service vector.

2.2 移植OS_CPU_C.H文件

µC/OS-Ⅱ的移植范例要求編寫10個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)，但是真正必要的函數(shù)是OSTaskStkInit()，其他9個(gè)函數(shù)必須申明，但并不一定要包含任何代碼。OSTaskStkInit()主要是對(duì)任務(wù)堆棧的初始化。TMS320LF2407A的堆棧與一般微處理器的堆棧不同，一般微處理器的堆棧由編程定義一塊內(nèi)存作為堆棧比較靈活，而TMS320LF2407A的堆棧，是在CPU內(nèi)有8級(jí)深度的硬件堆棧，因此任務(wù)堆棧的初始化與一般微處理器的堆棧初始化不同。芯片本身的堆棧(以下簡(jiǎn)稱US)只有8級(jí)，無法作為系統(tǒng)的堆棧使用，所以CCS編譯器將CPU內(nèi)部的兩個(gè)寄存器AR0和AR1保留，AR1作為堆棧指針，AR0用作堆棧中臨時(shí)變量指針FP。編譯器將函數(shù)或中斷壓進(jìn)US的返回地址，彈出放在SP(AR1)指向的堆棧中，并保存CPU 的工作環(huán)境，不同的是函數(shù)只保存程序要用到的寄存器，中斷要調(diào)用I$$SAVE子程序，保存CPU所有的寄存器，返回時(shí)調(diào)用I$$REST子程序，恢復(fù) I$$SAVE和I$$REST兩個(gè)函數(shù)是µC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到TMS320LF2407A上的基礎(chǔ)，一定要很清楚后才能夠成功移植 OSTaskStkInit()函數(shù)。[!--empirenews.page--]

2.3 移植OS_CPU_C.H文件

需要在該文件中編寫4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)：(1)OSStartHighRdy()：這是系統(tǒng)完成初始化后啟動(dòng)多任務(wù)運(yùn)行時(shí)要調(diào)用的函數(shù)，主要功能是：將OSRunning標(biāo)志置為TRUE，然后獲取已建立的優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的堆棧指針，并從其堆棧中恢復(fù)處理器寄存器，最后執(zhí)行返回指令返回上述任務(wù)中運(yùn)行該任務(wù)。(2)OSCtxSw()：在本移植中，任務(wù)級(jí)任務(wù)切換用軟中斷intr31實(shí)現(xiàn)，OSCtxSw()即為該中斷的中斷服務(wù)程序。它先要將當(dāng)前處理器寄存器壓入當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，將當(dāng)前堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊中;然后用與OSStartHighRdy()相類似的方法運(yùn)行當(dāng)前處于就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。(3)OSIntCtxSw()：該函數(shù)被OSIntExit()函數(shù)調(diào)用，用于在ISR中進(jìn)行任務(wù)切換。它與OSCtxSw() 的區(qū)別在于無需對(duì)當(dāng)前任務(wù)的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存，因?yàn)檫@一工作在進(jìn)入ISR之時(shí)已經(jīng)做了。(4)OSTickISR()：用定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)周期為恒定值的時(shí)鐘源提供給µC/OS-Ⅱ，這是µC/OS-Ⅱ時(shí)間延遲和超時(shí)功能的時(shí)間基準(zhǔn)。OSTickISR()是該定時(shí)器周期中斷的中斷服務(wù)程序。它主要有兩個(gè)功能：一個(gè)是調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)，計(jì)算自系統(tǒng)上電以來所經(jīng)歷的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，并將每個(gè)處于延時(shí)等待狀態(tài)任務(wù)的OSTCBDIy項(xiàng)減1;另一個(gè)是調(diào)用OSIntExit()函數(shù)查看是否有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因時(shí)鐘節(jié)拍到來而延遲時(shí)間到并進(jìn)入就緒態(tài)，如果有，則進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)切換。另外，在該函數(shù)的入口處要將OSIntNesting加1;在出口處將OSIntNesting減1。其中堆棧的構(gòu)造，采用了系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)I$$SAVE和I$$RSET函數(shù)來保護(hù)/恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、保護(hù)/恢復(fù)任務(wù)棧。時(shí)鐘節(jié)拍TICK中斷由實(shí)時(shí)時(shí)鐘完成，但是2407A中沒有此定時(shí)器，移植是采用T1的周期中斷來實(shí)現(xiàn)的，時(shí)鐘頻率為10M，4倍頻后CPU時(shí)鐘為40M。系統(tǒng)初始化代碼如下。

ldp #00e0h ;指向第224頁(yè)(0x7000～0x707F)

splk #00e8h,WDCR ;不使能看門狗

splk #080feh,SCSR1 ;時(shí)鐘4倍頻

ldp #DP_EVA ;指向第232頁(yè)(0x7400～0x747F)

splk #080h,EVAIMRA ;通用定時(shí)器1 周期中斷使能

splk #0ffffh,EVAIFRA ;清中斷標(biāo)志 ;

splk #0,GPTCONA ;無控制操作

splk #4E20h,T1PER ; 定時(shí)器計(jì)數(shù)使能 ,周期為20000

splk #0,T1CNT ; 計(jì)數(shù)初值清0

splk #080Ch,T1CON ;TMODE=01 連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)時(shí)鐘不分頻

必須在最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中開啟定時(shí)器，系統(tǒng)在優(yōu)先級(jí)為0的任務(wù)里開啟T1。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)置T1每500us(20000/40M)產(chǎn)生一次T1周期中斷，即TICK為500us，µC/OS-Ⅱ每500us做一次任務(wù)調(diào)度。

3. 移植代碼測(cè)試

CCS是一個(gè)強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，帶有源碼級(jí)的調(diào)試工具，按照J(rèn)ean J.Labrosse推薦的移植代碼測(cè)試方法和步驟很快完成了函數(shù)OSTaskStkInit()、函數(shù)OSStartHighRdy()、函數(shù) OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()函數(shù)的驗(yàn)證工作。證實(shí)了移植代碼是能正常工作的。為進(jìn)一步測(cè)試其可靠性，又另外創(chuàng)建了15個(gè)任務(wù)，并用上了µC/OS-Ⅱ的信號(hào)量和郵箱同步機(jī)制，在每個(gè)任務(wù)里加上不同的發(fā)光二極管，經(jīng)測(cè)試其實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都很好優(yōu)異。

4. 任務(wù)調(diào)度過程中優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題及解決

優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)是即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過信號(hào)量機(jī)制訪問共享資源時(shí)，該信號(hào)量已被一低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)在訪問共享資源時(shí)可能又被其它一些中等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題有優(yōu)先級(jí)天花板和優(yōu)先級(jí)繼承兩種辦法。優(yōu)先級(jí)天花板是當(dāng)任務(wù)申請(qǐng)某資源時(shí)，把該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到可訪問這個(gè)資源的所有任務(wù)中的最高優(yōu)先級(jí)，這個(gè)優(yōu)先級(jí)稱為該資源的優(yōu)先級(jí)天花板。這種方法簡(jiǎn)單易行，不必進(jìn)行復(fù)雜的判斷，不管任務(wù)是否阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的運(yùn)行，只要任務(wù)訪問共享資源都會(huì)提升任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在µC/OS-Ⅱ中，可以通過 OSTaskChangePrio()改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，但是改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)是很花時(shí)間的。如果不發(fā)生優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)而提升了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，釋放資源后又改回原優(yōu)先級(jí)，則無形中浪費(fèi)了許多CPU時(shí)間，也影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。優(yōu)先級(jí)繼承是當(dāng)任務(wù)A申請(qǐng)共享資源S時(shí)，如果S正在被任務(wù)C使用，通過比較任務(wù)C與自身的優(yōu)先級(jí)，如發(fā)現(xiàn)任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)小于自身的優(yōu)先級(jí)，則將任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)提升到自身的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)C釋放資源S后，再恢復(fù)任務(wù)C的原優(yōu)先級(jí)。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)才動(dòng)態(tài)的改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，如果過程較復(fù)雜，則需要進(jìn)行判斷。µC/OS-Ⅱ不支持優(yōu)先級(jí)繼承，而且其以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)作為任務(wù)標(biāo)識(shí)，每個(gè)優(yōu)先級(jí)只能有一個(gè)任務(wù)，因此，不適宜在應(yīng)用程序中使用優(yōu)先級(jí)繼承。

在µC/OS-Ⅱ中，為解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)影響任務(wù)實(shí)時(shí)性的問題，可以借鑒優(yōu)先級(jí)繼承的方法對(duì)優(yōu)先級(jí)天花板方法進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)µC/OS-Ⅱ的使用，共享資源任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不是全部提升，而是先判斷再?zèng)Q定是否提升。即當(dāng)有任務(wù)A申請(qǐng)共享資源S時(shí)，首先判斷是否有別的的任務(wù)正在占用資源S，若無，則任務(wù)A繼續(xù)執(zhí)行，若有，假設(shè)為任務(wù)B正在使用該資源，

則判斷任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)是否低于任務(wù)A，若高于任務(wù)A，則任務(wù)A掛起，等待任務(wù)B釋放該資源，如果任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)低于任務(wù) A，則提升任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)到該資源的優(yōu)先級(jí)天花板，當(dāng)任務(wù)B釋放資源后，再恢復(fù)到原優(yōu)先級(jí)。在µC/OS-Ⅱ中，每個(gè)共享資源都可看作一個(gè)事件，每個(gè)事件都有相應(yīng)的事件控制塊 ECB。在ECB中包含一個(gè)等待本事件的等待任務(wù)列表，該列表包括OSEventTbl[]和OSEventGrp兩個(gè)域，通過對(duì)等待任務(wù)列表的判斷可以很容易地確定是否有多個(gè)任務(wù)在等待該資源，同時(shí)也可判斷任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低，從而決定是否需要用 OSTaskChangePio()來改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)。這樣，僅在優(yōu)先級(jí)有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況下才改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，而且利用事件的等待任務(wù)列表進(jìn)行判斷，比用OSTaskChangePio()來改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)速度快，并占用較少的CPU時(shí)間，有利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的提高。

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