μC/OS-Ⅱ在 AT89S51單片機(jī)上的應(yīng)用

劉洪利，趙 萍

(上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090)

近年來(lái)，隨著科技的飛速發(fā)展，嵌入式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域.對(duì)于國(guó)內(nèi)中小型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，免費(fèi)軟件和開放代碼是最佳選擇[1].μC/OS-Ⅱ是目前源碼開放的嵌入式系統(tǒng)之一，它提供了操作系統(tǒng)最基本的功能，其核心代碼短小精悍，易于移植，受到人們的青睞.μC/OS-Ⅱ已通過(guò)聯(lián)邦航空局商用航行器認(rèn)證，成功移植到40多種CPU上，但其數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的開銷很大，至少要達(dá)到8 k字節(jié).μC/OS-Ⅱ是源碼完全公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，最多可分配64個(gè)任務(wù)，其中系統(tǒng)任務(wù)占用8個(gè)，其余56個(gè)任務(wù)用戶可以自由分配.

1 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)原理

μC/OS-Ⅱ的代碼90%都是用ANSI C寫的，可移植性好，安全性高，代碼的容量至少為8 kB.由于AT89S51單片機(jī)的ROM只有4 kB，所以要擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器容量要大于8 kB;每個(gè)任務(wù)都有自己的硬件棧和仿真棧，硬件棧用于保存任務(wù)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)棧內(nèi)的數(shù)據(jù).用戶棧中保存的仿真棧與硬件棧相向生長(zhǎng)，中間為空閑間隔.硬件棧的保存恢復(fù)是通過(guò)拷貝實(shí)現(xiàn)的.而對(duì)于仿真堆棧的保存，μC/OS-Ⅱ只提供堆?？臻g和只操作堆棧指針，不進(jìn)行內(nèi)存拷貝，因此其效率相對(duì)較高.

盡管μC/OS-Ⅱ?qū)⒉煌蝿?wù)使用不同空間看成是優(yōu)點(diǎn)，但為了在51單片機(jī)上有效實(shí)現(xiàn)任務(wù)重入，建議用戶使用統(tǒng)一的固定大小的堆?？臻g.用戶堆棧空間的大小是可以精確計(jì)算出來(lái)的，用戶堆棧空間=硬件堆?？臻g+仿真堆棧空間.硬件棧占用內(nèi)部RAM，內(nèi)部RAM執(zhí)行效率高、速度快.如果堆棧空間過(guò)大，會(huì)影響KEIL編譯的程序性能，如果堆棧空間小，在中斷嵌套和程序調(diào)用時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)崩潰，因此綜合考慮，可將硬件堆?？臻g大小確定為64 B，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定.仿真堆棧大小取決于形參和局部變量的類型及數(shù)量，并可以精確算出.因?yàn)樗杏脩魲Ｊ褂孟嗤臻g，所以取占用空間最大的任務(wù)函數(shù)的空間大小為仿真堆?？臻g大小，這樣用戶堆?？臻g大小就唯一確定了.將用戶堆?？臻g大小用宏定義在OS_CFG.H文件中，宏名為MaxStkSize.

由于AT89S51片內(nèi)只有128個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元和4 k個(gè)ROM單元，因此需要根據(jù)系統(tǒng)中任務(wù)個(gè)數(shù)的多少來(lái)外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[2].為了便于調(diào)試，系統(tǒng)還添加了液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊.其中，數(shù)據(jù)RAM采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6164(8 k×8位);程序存儲(chǔ)器采用EPROM27128(16 k×8位);液晶顯示器采用金鵬公司的C系列OCMJ4X8C顯示模塊，可以顯示字母、數(shù)字、漢字及圖形等，也可用于顯示鍵盤輸入值.鍵盤采用矩陣式鍵盤，可以節(jié)省單片機(jī)接口.其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)原理示意

處理器和編譯器需要滿足下列要求[3]:

(1)所用的C編譯器可產(chǎn)生可重入型代碼;

(2)用C語(yǔ)言就可以打開和關(guān)閉中斷;

(3)處理器能產(chǎn)生中斷，通常在10～100 Hz;

(4)處理器帶有能容納一定數(shù)量數(shù)據(jù)的硬件堆棧.

(5)處理器有將堆棧指針和其他的CPU寄存器從內(nèi)存中讀出和存到堆?；騼?nèi)存中的指令.

AT89S51單片機(jī)和KEIL C51編譯器完全可以滿足上述要求，因此可以將μC/OS-Ⅱ移植到AT89S51單片機(jī)上.

2 μC/OS-Ⅱ中核心代碼的編程

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]，其中“核心代碼(處理器無(wú)關(guān))”部分從網(wǎng)上直接下載無(wú)需修改;“設(shè)置代碼(應(yīng)用相關(guān))”部分在移植時(shí)根據(jù)項(xiàng)目要求僅作少許修改即可;OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C 是與處理器緊密相關(guān)的代碼，移植的主要工作就是根據(jù)處理器編寫這3個(gè)函數(shù).

圖2 μC/OS-Ⅱ的軟件結(jié)構(gòu)

2.1 OS_CPU.H的設(shè)計(jì)思路

OS_CPU.H主要定義與KEIL C51編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、宏和常量.在μC/OS-Ⅱ執(zhí)行臨界段代碼前要先關(guān)中斷，執(zhí)行完后又要開中斷.在KEIL C51編譯器中，可以用C語(yǔ)言直接開/關(guān)中斷.用 EA=0可以關(guān)中斷，則有#define OS_ENTER_CRITICAL EA=0;用EA=1可以開中斷，則有#define OS_EXIT_CRITICAL EA=1.開/關(guān)中斷的方法有3種，在這里采用最簡(jiǎn)單的方法，即進(jìn)入臨界段代碼前先關(guān)閉中斷，執(zhí)行完臨界段代碼后再打開中斷，則有#define OS_CRITICAL_METHOD 1.

AT89S51單片機(jī)的堆棧增長(zhǎng)方向都是從低地址向高地址增長(zhǎng)的，所以有#define OS_STK_GROWTH 0.在μC/OS-Ⅱ中任務(wù)間進(jìn)行切換時(shí)要求采用軟中斷實(shí)現(xiàn)，但AT89S51單片機(jī)沒(méi)有軟中斷指令，且函數(shù)調(diào)用與中斷的堆棧結(jié)構(gòu)相同，因此可以用函數(shù)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)入棧，即#define OS_TASK_SW()OSCtxSw()，用中斷返回指令RETI實(shí)現(xiàn)出棧.

2.2 OS_CPU_C.C的設(shè)計(jì)思路

在OS_CPU_C.C中主要是編寫函數(shù)OSTaskStkInit()，該函數(shù)的主要任務(wù)是初始化新建任務(wù)的私有堆棧.μC/OS-Ⅱ處于就緒態(tài)的任務(wù)堆棧看起來(lái)像剛剛發(fā)生過(guò)中斷一樣，所有CPU寄存器中的數(shù)據(jù)都保存在任務(wù)的私有堆棧中.AT89S51單片機(jī)在函數(shù)調(diào)用時(shí)只將程序計(jì)數(shù)器PC的值(16位數(shù)據(jù))自動(dòng)壓入系統(tǒng)棧中，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，SP則需要手動(dòng)依次保存到系統(tǒng)棧.在任務(wù)切換時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)的私有堆棧和系統(tǒng)棧之間的復(fù)制，任務(wù)私有堆棧的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)棧結(jié)構(gòu)應(yīng)該基本相同，主要區(qū)別是在任務(wù)私有堆棧中還要保存仿真棧的地址，每個(gè)任務(wù)都有自己的仿真棧，仿真棧由編譯器自動(dòng)分配.任務(wù)私有堆棧不是真正的堆棧，是外部RAM，所以CPU寄存器的值都要手動(dòng)保存，而系統(tǒng)棧只需手動(dòng)保存除PC寄存器之外的其他寄存器.任務(wù)私有堆棧和系統(tǒng)棧的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 任務(wù)私有堆棧和系統(tǒng)棧的結(jié)構(gòu)

2.3 OS_CPU_A.ASM的設(shè)計(jì)思路

OS_CPU_A.ASM包含了與處理器AT89S51緊密相關(guān)的匯編代碼，由 OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()4 個(gè)函數(shù)組成.

(1)OSStartHighRdy() 用來(lái)查找就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)并加以運(yùn)行.首先根據(jù)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的任務(wù)控制塊指針，找到該任務(wù)的私有堆棧指針，然后找到私有堆棧的長(zhǎng)度，并將私有堆棧中的數(shù)據(jù)復(fù)制到系統(tǒng)棧，再通過(guò)POPALL將除PC之外的寄存器值從系統(tǒng)棧彈到CPU寄存器后，用RETI指令將系統(tǒng)棧中PC的值恢復(fù)到PC寄存器[5].

(2)OSCtxSw() 主要任務(wù)是保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，然后將就緒表中優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的私有堆棧中的數(shù)據(jù)恢復(fù)到CPU的各個(gè)寄存器中.先將CPU寄存器(除PC外)中的數(shù)據(jù)用PUSHALL指令保存到系統(tǒng)棧中，并從系統(tǒng)棧復(fù)制到任務(wù)的私有堆棧中，然后將新的棧頂指針保存到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊中，由此當(dāng)前任務(wù)的上下文就保存完畢.將就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)設(shè)置為當(dāng)前任務(wù)，堆棧指針指向該任務(wù)的私有堆棧，將私有堆棧中的數(shù)據(jù)復(fù)制到系統(tǒng)棧，然后用POPALL指令將系統(tǒng)棧中的數(shù)據(jù)彈至CPU寄存器中，最后用RETI指令將PC的值彈出，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù).

(3)OSIntCtxSw() 由于當(dāng)前執(zhí)行的是中斷服務(wù)程序，不需要返回，只需將就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)設(shè)置為當(dāng)前任務(wù)，然后恢復(fù)其寄存器即可.它與OSCtxSw()的區(qū)別在于不用保存當(dāng)前任務(wù)的上下文.

(4)OSTickISR() 主要任務(wù)是安裝時(shí)鐘，并設(shè)置時(shí)鐘節(jié)拍.在AT89S51中，采用定時(shí)器零.在執(zhí)行OSTickISR()前，先關(guān)中斷，保存CPU寄存器的值到系統(tǒng)棧，設(shè)置時(shí)鐘頻率，啟動(dòng)定時(shí)器零，調(diào)用時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)，調(diào)度一次，恢復(fù)CPU寄存器的值，然后中斷返回.

原則上，與處理器無(wú)關(guān)的代碼不用修改.由于KEIL編譯器在缺省情況下編譯的代碼不可重入，所以要在每個(gè)C函數(shù)及其聲明后標(biāo)注reentrant關(guān)鍵字.另外，“pdata”和“data”在 uCOS中用作一些函數(shù)的形參，但它同時(shí)又是KEIL的關(guān)鍵字，容易導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤.文獻(xiàn)[6]將“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata’，以避免此類錯(cuò)誤的發(fā)生.

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)運(yùn)行前，必須設(shè)置時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)生器定時(shí)器零的初值，定時(shí)器零工作模式設(shè)置為1，16位定時(shí)器，其初值的計(jì)算公式為:

式中:f——時(shí)鐘節(jié)拍的頻率，此處設(shè)置為50;

F0SC——晶振頻率，設(shè)置為12 MHz;

x——定時(shí)器初值，x=B1E0H.

設(shè)置好時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)生器定時(shí)器零后，再配置μC/OS-Ⅱ，這樣代碼可以在仿真環(huán)境中通過(guò)斷點(diǎn)和跟蹤等手段進(jìn)行調(diào)試.為了更直觀地看到程序運(yùn)行結(jié)果，在此設(shè)置兩個(gè)任務(wù):Mytask和Yourtask.Mytask在屏上顯示為Mytask，優(yōu)先級(jí)為5;Yourtask在屏上顯示為Yourtask發(fā)送的消息，優(yōu)先級(jí)為6.

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)在AT89S51單片機(jī)上的應(yīng)用方法及其應(yīng)注意的問(wèn)題.實(shí)踐證明，該方法切實(shí)可行，簡(jiǎn)單易掌握，具有較強(qiáng)的實(shí)用性.但在使用過(guò)程還應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題.一是μC/OS-Ⅱ是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，優(yōu)先級(jí)是任務(wù)唯一的標(biāo)識(shí)，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同.為避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，需要使用互斥型信號(hào)量來(lái)管理共享資源.二是μC/OS-Ⅱ是多任務(wù)操作系統(tǒng)，需要為每個(gè)任務(wù)分配私有堆棧(私有堆棧中包括中斷堆棧，且中斷可以嵌套達(dá)255層)，但由于AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部RAM只有128 B，且AT89S51的硬件堆棧不能放在片外，所以任務(wù)的私有堆棧只能放在外部RAM中.三是由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身有大量的代碼，引入OS需要占用CPU10% ～20%的負(fù)荷能力.此外頻率決定了CPU的耗費(fèi)，頻率越高耗費(fèi)越大，至一定程度時(shí)需更換更強(qiáng)的CPU.

[1]騰凌巧，劉常春，戴琨.嵌入式操作系統(tǒng)的移植與測(cè)試[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，12(4):33-35.

[2]LABROSSE Jean.μC/OS-Ⅱ源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].邵貝貝，譯.北京:中國(guó)電力出版社，2001:56-67.

[3]田志鑫，張雷，趙明揚(yáng).在51單片機(jī)上移植μC/OS-Ⅱ關(guān)鍵問(wèn)題的解決[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(12):45-48.

[4]任哲，潘樹林，房紅征.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)UCOS-Ⅱ和Linux[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:65-68.

[5]姚念龍，尹航，姜久春.μC/OS-Ⅱ在MC9S12A64上的移植和應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(8):12-15.

[6]孟慶峰.實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-Ⅱ在S3C44B0X上移植的研究與實(shí)現(xiàn)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7(7):34-36.