μC/OS-Ⅱ在MSP430F149上的移植
μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,該操作系統(tǒng)理論上最多可以管理64個(gè)任務(wù),一般應(yīng)用時(shí)需要留出8個(gè)任務(wù)給系統(tǒng)本事使用，因此用戶的應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)，μC/OS-Ⅱ的內(nèi)核為完全可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核，即系統(tǒng)總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù),并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通訊機(jī)制，同時(shí)用戶可以根據(jù)需求通過條件編譯實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)核中的功能模塊的裁剪，此外μC/OS-Ⅱ 還具有可固化、中斷管理、高穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)，因此將μC/OS-Ⅱ移植到微處理器（MCU）上, 對(duì)于縮減產(chǎn)品開發(fā)和升級(jí)周期，提高可靠性和穩(wěn)定性,降低成本方面有著重要的意義。以下主要討論嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在MSP430F149上的移植。
1 基于16位微處理器MSP430F149的硬件應(yīng)用系統(tǒng)
1．1 MSP430F149的特點(diǎn)與功能結(jié)構(gòu)
MSP430F149是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的16位微處理器，它的低功耗特別低，支持1.8～3.6V電壓供電，全速運(yùn)行時(shí)的電流僅為280μA，休眠狀態(tài)微處理器的電流只有0.1μA；支持五中省電模式，同時(shí)具有很快的喚醒速度，喚醒時(shí)間只為6μS；片內(nèi)集成12位A/D轉(zhuǎn)換器，兩種定時(shí)器（timer_A和timer_B），UART通訊端口2個(gè)，比較器等，滿足了大多數(shù)嵌入式儀器的應(yīng)用需求。最重要的是MSP430F149程序存儲(chǔ)器有60K并支持JTAG仿真，真正實(shí)現(xiàn)了在線仿真調(diào)試，方便了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植。
1．2 用于移植μC/OS-Ⅱ的硬件電路
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圖1 微處理器系統(tǒng)硬件原理圖
這里為了方便說明μC/OS-Ⅱ在MSP430F149上的移植，構(gòu)建了基于微處理器MSP430F149的簡(jiǎn)單硬件系統(tǒng)，主要由三部分構(gòu)成：電源，處理器及其JTAG仿真，RS232通訊接口。
電源部分主要提供穩(wěn)定電壓＋5V和＋3.3V，＋5V用于給RS232串行通訊端口控制電路供電，＋3.3V是微處理器MSP430F149的供電電壓。用于移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ 主體硬件部分是由微處理器MSP430F149及其JTAG仿真和RS232通訊接口控制器MAX232構(gòu)成，其硬件電路原理圖如圖1所示。
2 μC/OS-Ⅱ的移植
2．1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的可移植性
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ絕大部分源代碼是用移植性很強(qiáng)的ANSI C寫成的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語言寫成的。與微處理器硬件相關(guān)的匯編語言已經(jīng)壓縮到最低限度，因此μC/OS-Ⅱ可以移植到目前主流的所有微處理器上。
2．2 選擇移植所用的編譯環(huán)境
移植μC/OS-Ⅱ到MSP430F149上需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的C交叉編譯器，當(dāng)然該編譯器是針對(duì)微處理器MSP430F149的，即編譯器能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)的C代碼編譯成MSP430F149能夠執(zhí)行的機(jī)器碼。同時(shí)，μC/OS-Ⅱ是完全可剝奪型內(nèi)核，只能通過C編譯器來產(chǎn)生可重入型代碼。C編譯器還應(yīng)該支持匯編語言，這是因?yàn)橐恍?duì)CPU寄存器的操作只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)。在微處理器MSP430F149的開發(fā)工具中，IAR Embedded Workbench for MSP430能夠完全符合這些移植要求，該集成編譯環(huán)境還具有軟件仿真等功能，故選用它作為移植用的編譯器。
2．3 μC/OS-Ⅱ移植到MSP430F149上的步驟
從μC/OS-Ⅱ的軟硬件體系結(jié)構(gòu)可以看到，與處理器相關(guān)的代碼主要是OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C這三個(gè)文件，移植的過程也就是對(duì)這三個(gè)文件的編寫。
OS_CPU.H包括了用＃define語句定義的、與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏及類型。其中，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)臨界段代碼保護(hù)函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()實(shí)現(xiàn)的是關(guān)中斷，函數(shù)OS_EXIT_CRITICAL()實(shí)現(xiàn)的是開中斷。和所有的實(shí)時(shí)內(nèi)核一樣，μC/OS-Ⅱ 需要先關(guān)中斷再處理臨界段代碼，并在處理完畢后重新開中斷，這就使得μC/OS-Ⅱ 能夠保護(hù)臨界段代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)子程序的破壞。
OS_CPU_A.ASM文件中需要編寫4個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語言函數(shù)：
函數(shù)OSStartHighRdy()是使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開始運(yùn)行，基于MSP430F149的代碼實(shí)現(xiàn)如下：
OSStartHighRdy
call #OSTaskSwHook
mov.b #1, &OSRunning ; 內(nèi)核運(yùn)行
mov.w SP, &OSISRStkPtr ; 保存中斷堆棧
mov.w &OSTCBHighRdy, R13 ; 載入優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)堆棧
mov.w @R13, SP
POPALL ; 恢復(fù)所有寄存器
reti ; 中斷返回
函數(shù)OSCtxSw()是在一般運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，即，讓優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)獲得CPU控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)代碼如下：[!--empirenews.page--]
OSCtxSw
push sr ; 保存中斷SR指針 PUSHALL ; 保存所有寄存器
mov.w &OSTCBCur, R13
mov.w SP, 0(R13)
call #OSTaskSwHook
mov.b &OSPrioHighRdy, R13
mov.b R13, &OSPrioCur
mov.w &OSTCBHighRdy, R13
mov.w R13, &OSTCBCur
mov.w @R13, SP
POPALL
reti ; 中斷返回
函數(shù)OSIntCtxSw()是實(shí)現(xiàn)在中斷服務(wù)子程序中任務(wù)切換的功能，具體代碼如下：
OSIntCtxSw
call #OSTaskSwHook
mov.b &OSPrioHighRdy, R13
mov.b R13, &OSPrioCur
mov.w &OSTCBHighRdy, R13
mov.w R13, &OSTCBCur
mov.w @R13, SP
POPALL ;恢復(fù)所有寄存器
reti
函數(shù)OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序，其執(zhí)行頻率在10～100Hz，主要功能是檢查是否有由于延時(shí)而被掛起的任務(wù)成為就緒任務(wù), 如果有就調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換, 從而運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。
OS_CPU_C.C文件中，需要寫10個(gè)C語言函數(shù)，唯一需要的是編寫堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()，其他的9個(gè)函數(shù)只要聲明，并不一定要包含任何代碼。由于MSP430F149的堆棧是從上往下遞減的，故堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()實(shí)現(xiàn)代碼為：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{ INT16U *top;
opt = opt; /*避免編譯器的警告*/
top = (INT16U *)ptos;
top--;
*top = (INT16U)task;
top--;
*top = (INT16U)task; /*中斷返回向量*/
top--;
*top = (INT16U)0x0008; /* 狀態(tài)寄存器*/
top--;
......
*top = (INT16U)pdata;
top--;
......
return ((OS_STK *)top); /*返回棧頂指針給調(diào)用該函數(shù)的函數(shù)*/
}
至此，μC/OS-Ⅱ在MSP430F149上的移植就已經(jīng)完成，可以建立多任務(wù)應(yīng)用程序來測(cè)試嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ了。
3 測(cè)試移植代碼
3．1 測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行狀況
通過測(cè)試內(nèi)核自身的運(yùn)行狀況來驗(yàn)證移植的成功與否，可以避免把應(yīng)用軟件和內(nèi)核的問題混在一起，使問題更加復(fù)雜化。如果在測(cè)試內(nèi)核自身運(yùn)行狀況時(shí)有問題，就是內(nèi)核的問題，排除了應(yīng)用軟件代碼的問題。這里通過依此驗(yàn)證OSTaskStkInit()和文件OS_CPU_A.ASM中的OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()四個(gè)函數(shù)來證明內(nèi)核是移植成功的。
3．2 建立多任務(wù)應(yīng)用程序驗(yàn)證系統(tǒng)的移植成功
本系統(tǒng)建立了兩個(gè)任務(wù)來測(cè)試μC/OS-Ⅱ是否成功移植到MSP430F149，它們是：
任務(wù)一：從MSP430F149 A/D采樣通道0采樣
OSTaskCreate(ADTask, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 1);
任務(wù)二：RS232串口與上位機(jī)通訊
OSTaskCreate(UartTask, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 2);
測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)功能是將的A/D采樣任務(wù)得到的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)驗(yàn)證明，利用精密可調(diào)電阻改變MSP430F149 A/D采樣通道0的模擬輸入電壓量，上位機(jī)端收到的數(shù)據(jù)也做相應(yīng)的變化，證明嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在MSP430F149移植是成功的。
4 結(jié)論
μC/OS-Ⅱ是比較小而完善的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，本文成功將μC/OS-Ⅱ移植到微處理器MSP430F149上，并實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)運(yùn)行，這對(duì)在中低檔微處理器、單片機(jī)上構(gòu)建和應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有著一定的意義，同時(shí)讓基于這些微處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)具有運(yùn)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所帶來的不可替代的優(yōu)勢(shì)。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在中低檔單片機(jī)上的成功移植和應(yīng)用。為在中低檔單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)提出了思路和實(shí)例。
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