M16C62在uC/OS-II嵌入式系統(tǒng)中的應用

前言

　　隨著微電子技術(shù)和網(wǎng)絡的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡的認識日益深入。網(wǎng)絡終端產(chǎn)品也越來越受到人們的關(guān)注，嵌入式操作系統(tǒng)的應用也得到了前所未有的發(fā)展，人們對嵌入式的研究也有了長足的進步?；谀硞€操作系統(tǒng)的實時、多任務系統(tǒng)的設(shè)計合應用成為單片機應用的新的發(fā)展趨勢。

　　uC/OS是一個公開源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)，uC/OS-II是由uC/OS V1.1版升級而來，在原來版本的基礎(chǔ)上，uC/OS-II有了許多新功能，如：內(nèi)存管理；在任務建立、刪除、任務切換、時鐘節(jié)拍切換處理過程中，允許用戶調(diào)用自定義的函數(shù)；支持任務控制塊（TCB）功能擴展；能效驗各堆棧使用情況；以及其它一些新功能【2】。M16C62單片機是三菱公司在90年代末推出的新一代16位單片機，是目前應用最廣泛的16位單片機之一。M16C族單片機融合了基于寄存器和基于存儲器型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似RISC的高速處理性能。M16C62單片機具有超低功耗、極強的抗干擾能力和很高的C語言編程效率等特點，片內(nèi)集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、異步通信通道、定時器等豐富的周邊功能電路模塊，非常適合應用在小型實時、多任務、嵌入式系統(tǒng)中【1】。把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，就可以構(gòu)成一個實時多任務應用系統(tǒng)。下面就來談談如何把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以此設(shè)計一個實時多任務系統(tǒng)。

　　1、uC/OS-II的移植

　　uC/OS-II采用完全占先式的實時內(nèi)核，最多可以管理56個任務，每個任務對應一個不同的優(yōu)先級，因而，uC/OS-II操作系統(tǒng)并不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。但是全部UC/OS-II的函數(shù)調(diào)用與服務的執(zhí)行時間是可知的，也就是，uC/OS-II系統(tǒng)服務的執(zhí)行時間不依賴于應用程序任務的多少。另外，uC/OS-II中每個任務都有自己單獨的棧，每個棧的大小可以根據(jù)應用程序的需要進行分配，這樣壓低了系統(tǒng)對RAM的需求；在中斷管理方面，uC/OS-II中的中斷可以使正在執(zhí)行的任務掛起，如果優(yōu)先級更高的任務被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，uC/OS-II的中斷嵌套可達255層。

　　uC/OS-II的源碼大部分是用可移植性很強的ANSI C 寫的。只是和微處理器有關(guān)的很小一部分代碼是用匯編寫的，這樣把uC/OS-II移植到MC16C62中就變得相對容易很多，主要是要修改和處理器有關(guān)的代碼,如：OS-CPU.H、OS-CPU-A.ASM、OS-CPU-C.C。

　?。?）、OS-CUP.H頭文件

　　OS_CUP.H頭文件主要是定義和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型，在M16C62中的數(shù)據(jù)類型包括無符號整型、有符號整型、無符號字符型、有符號字符型等。因此，OS_CPU.H頭文件對這些類型進行全新的定義。除了和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型定義外，在OS-CUP.H中還作了有關(guān)中斷禁止、中斷允許、堆棧的增長方向等一些簡單宏的定義。

　　（2）、OS-CPU-A.ASM文件
 
在OS-CPU-A.ASM文件中包含四個匯編語言的函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxsw()、OSIntCtxsw（）、OSTickISR（）。在uC/OS-II中處于就緒態(tài)的任務的堆棧結(jié)構(gòu)，看起來和剛中斷的情形是一樣的。要想運行最高優(yōu)先級任務，移植要做的是就是將所有處理器的寄存器按順序從任務堆棧中恢復出來，并且通過一條中斷返回語句來實現(xiàn)任務的切換。因而，OSStartHighRdy()就是使要恢復的任務堆棧指針指到任務控制塊的0偏址的內(nèi)存單元中。也就是要把保存在任務堆棧中的數(shù)據(jù)以及CPU寄存器,如R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB和FB返回到系統(tǒng)當前的寄存器中，并把當前堆棧指針指到PC指針的位置。

　　在uC/OS-II中任務的切換問題是通過發(fā)軟件中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。但是中斷服務例程、陷阱或異常處理例程的向量地址必須指向OSCtxSw（）【1】。在M16C62單片機中可以通過定義軟件中斷0來完成任務的切換。因而，在M16C62中的中斷向量表中的0號軟件中斷地址指向OSCtxSW（）。對應的中斷號為0。

　　OSInCtxSw（）用來在ISR中執(zhí)行切換功能。由于這個函數(shù)本身就是在中斷中被調(diào)用，因而，在中斷處理時寄存器的狀態(tài)已經(jīng)都被正確保存了。在OSInCtxSw（）函數(shù)中要進行堆棧清理工作，只有這樣被中斷的任務的堆棧內(nèi)容才能正確返回。

　　OSTickISR（）這個函數(shù)時UC/OS-II所要求的時鐘基準，即時鐘節(jié)拍，uC/OS-II的時鐘節(jié)拍頻率在10到100之間，通常為了計算方便而設(shè)為整數(shù)。在M16C62中有多個定時計數(shù)器可以選擇用來作為系統(tǒng)的時鐘基準。在該系統(tǒng)中利用時鐘定時器A0來產(chǎn)生頻率為100的一個時鐘節(jié)拍。OSTickISR（）是一個中斷響應函數(shù)，因而必須在M16C62的中斷向量表中，A0的中斷向量應分配給OSTickISR（），對應的中斷向量號是21【4】。
（3）、OS_CPU_C.C文件

　　在這個C文件中包含6個簡單的C函數(shù)，而這6個函數(shù)中和移植關(guān)系最密切的OSTaskInit（）函數(shù)，這個函數(shù)是用來創(chuàng)建一個任務堆棧。OSTaskCreat（）和OSTaskExt（）就是通過調(diào)用這個函數(shù)來初始化任務的堆棧結(jié)構(gòu)的，由此看來，OSTaskInit（）是移植的關(guān)鍵。在前面的OS_CPU_A.ASM文件中，任務的切換是通過調(diào)用一個軟中斷0來實現(xiàn)任務切換，通過中斷的返回指令使堆棧中的數(shù)據(jù)返回到CPU寄存器，使最高優(yōu)先級的任務占有CPU，因而，OSTaskInit（）函數(shù)要做的就是模擬中斷發(fā)生時處理器壓棧的過程，把CPU的寄存器內(nèi)容壓到任務堆棧中。在M16C62單片機中，系統(tǒng)分為兩個堆棧，即：用戶堆棧和中斷堆棧，而在uC/OS-II進行任務切換是通過軟中斷0來實現(xiàn)的，因此，uC/OS-II的任務堆棧是M16C62中的中斷堆?！?】。在M16C62中，響應中斷后堆棧的狀態(tài)如圖（一）所示：

中斷堆棧中依次保存程序計數(shù)器PC和標志寄存器FLG中的內(nèi)容，因此，在OSTaskStkInit（）函數(shù)中就是要模擬這樣的一個壓棧過程。先壓入FLAG的高四位和PC指針的高四位，接著壓入FLAG低位、PC中間八位和PC的低八位。在保存完P(guān)C和FLAG位后就應該為CPU的寄存器FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1和R0分配相應存儲空間【3】。OSTaskInit（）函數(shù)返回的是任務堆棧的指針。 

　　2、多任務系統(tǒng)設(shè)計                                          

　　多任務系統(tǒng)的設(shè)計是以M16C62單片機為CPU，以uC/OS-II為操作系統(tǒng)構(gòu)成一個實時多任務系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個基于SPI總線的溫度傳感器（DS1722）、一個基于I2C總線的實時鐘（X1226）、一個LCD（JM202A）和鍵盤。M16C62工作在微處理器模式，片外擴展一個32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構(gòu)成的存儲器。多任務系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：單片機資源分配和多任務設(shè)計兩個方面。

　　（1）、M16C62單片機資源分配

　　M16C62單片機是一個16位單片機，線性尋址空間是1M，但片內(nèi)的RAM大小只有3Kbyte，因此要使多任務系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作必須合理分配資源。uC/OS-II中所有內(nèi)核代碼必須在RAM區(qū)而把系統(tǒng)堆棧區(qū)劃塊到3K RAM 區(qū)外。通過對Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個M16C62配置文件，可以完成對單片機的資源劃分。NC30編譯器一開始就會編譯Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個文件，完成對CPU的初始化，和資源分配，主要包括：存儲器空間、RAM區(qū)分配、中斷向量分配、堆棧區(qū)劃分等【5】【4】【6】。

　?。?）、多任務設(shè)計

　　該系統(tǒng)中除了uC/OS-II的空閑任務外，還包括實時鐘任務、溫度采集任務和鍵盤中斷任務和數(shù)據(jù)存儲任務。實時鐘主要是能精確記錄系統(tǒng)的日期，任務優(yōu)先級為10，該任務處于一直工作狀態(tài)；溫度采集任務的優(yōu)先級為20，主要是完成溫度數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)存儲任務是在溫度發(fā)生較大變化的時候記錄當時的時間和溫度，任務優(yōu)先級為30，在一般情況下這個任務是處在掛起狀態(tài)，一旦溫度變動超過預置范圍，溫度采集任務就會發(fā)出一個有效信號量使處于掛起態(tài)的數(shù)據(jù)存儲任務轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。鍵盤中斷任務是通過M16C62的鍵盤中斷來完成參數(shù)的設(shè)定，該任務以一個中斷處理函數(shù)的形式來完成的。系統(tǒng)的程序流程圖如圖（二）所示。  

　　3、結(jié)束語

　　把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以M16C62單片機為微處理器構(gòu)成一個實時多任務系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)設(shè)計簡潔、硬件結(jié)構(gòu)相對與51系列單片機來說也要簡單，而且具有較強的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。以M16C62為微處理器，以uC/OS-II為實時操作系統(tǒng)構(gòu)成的多任務系統(tǒng)能廣泛應用在小型實時多任務系統(tǒng)中，具有較好的應用前景。

圖（二）：系統(tǒng)主程序流圖