μC/OS-II在80196KC单片机上的移植

摘要：主要讨论了将μC/OS-II实时操作系统在8019KC单片机上进行移植的原理和方法，给出了一个以Tasking C为编译器、以8019KC为处理器，对μC/OS-II实时操作系统进行移植的具体实例。 关键词：80196KC； uC/OS-II；Tasking C；移植 Ｉｎｔｅｌ的８０１９６ＫＣ系列单片机在中国国内有很大一批用户。支持８０１９６ＫＣ的Ｃ编译器生产厂商主要有Ｔａｓｋｉｎｇ和ＩＡＲ。但国内使用Ｔａｓｋｉｎｇ公司Ｃ编译器的用户较多。由于μＣ／ＯＳ－Ⅱ系统为源码公开的实时操作系统，因此是当前嵌入式系统开发的主要方法。但是，在μＣ／ＯＳ－Ⅱ网站上没有现成的移植实例。因此，有必要进行一次移植以使操作系统成为μＣ／ＯＳ－Ⅱ，这种移植采用的处理器为８０１９６ＫＣ，而其编译器为Ｔａｓｋｉｎｇ ｃ １９６。 １　μＣ／ＯＳ－Ⅱ的工作原理 μＣ／ＯＳ－Ⅱ是一个源码公开的实时多任务操作系统，其工作流程如图１所示。图中，任务切换的核心是利用出栈指令将各个任务的工作现场再现，并利用子程序返回指令改变ＰＣ指针以完成任务的切换。移植的关键是如何构造任务堆栈及任务切换时的出栈顺序。任务区堆栈初始化主要是模拟任务被中断后的堆栈内容。 ２　８０１９６ＫＣ的工作状态 ８０１９６ＫＣ是Ｉｎｔｅｌ公司的１６位单片机，和程序运行密切相关的寄存器有指令计数器ＰＣ、堆栈指针ｓｐ、程序状态寄存器ＰＳＷ、中断屏蔽寄存器ＩＮＴＭＡＳＫ和ＩＮＴＭＡＳＫ１以及窗口寄存器ＷＳＲ（以下将程序状态寄存器ＰＳＷ、中断屏蔽寄存器ＩＮＴＭＡＳＫ和ＩＮＴＭＡＳＫ１、窗口寄存器ＷＳＲ统称为程序状态字）。它们可在执行子程序调用ｃａｌｌ指令时自动将ｐｃ进栈，并在子程序返回调用ＲＥＴ指令时自动将ｐｃ出栈。由于８０１９６ＫＣ有１６位的寻址能力，故这一动作有２个字节进（出）栈，其中ｐｕｓｈ ａ指令将程序状态字进栈，ｐｏｐ ａ指令将程序状态字出栈。这一动作共有４个字节进（出）栈。另外ｐｕｓｈ ａ动作会将ＰＳＷ中的中断允许位清零，故通常用ｐｕｓｈ ａ关闭中断，而用ｐｏｐ ａ恢复中断允许。由于８０１９６ＫＣ的时钟节拍是特定的周期性中断，当每个时钟节拍到来时，系统将对任务延时做一次裁决。因此，在这个时钟节拍可采用８０１９６ＫＣ中的软件定时器中断。 ３　Ｔａｓｋｉｎｇ ｃ编译器的工作细节 带参数的函数调用编译后的主要操作是先将参数进栈，然后执行ｃａｌｌ指令。在函数入口处将堆栈中的参数倒入寄存器ｔｍｐ０、ｔｍｐ２、 ｔｍｐ４和ｔｍｐ６以进行操作（以下称临时寄存器）的原因主要是，堆栈一般位于ＲＡＭ区，而对ＲＡＭ区操作不如对寄存器操作快。如果该函数有局部变量，局部变量也是分配在堆栈中。Ｔａｓｋｉｎｇ ｃ编译器一般用一寄存器ｆｒａｍｅ０１（以下称框架寄存器）对局部变量进行访问，在函数返回时执行ｒｅｔ操作，并对ＳＰ指针进行调整，以跳过函数参数在堆栈中的位置。中断调用和函数调用类似，中断本身虽没有参数，但进中断后要对临时寄存器进行保护。因此，应在进中断后执行ｐｕｓｈ ａ操作，并在中断返回时使临时寄存器出栈（注意出栈顺序），然后再次执行ｐｏｐ ａ和ｒｅｔ操作。图２所示为堆栈区的一般结构。 ４　移植的细节 在ＯＳＴａｓｋＳｔｋＩｎｉｔ（）中，任务堆栈区的构造特点是８０１９６ＫＣ的堆栈区由高向低增长，最高处是任务的入口参数，接着是ＰＣ指针和程序状态字。如前所述，任务切换时要对临时寄存器和框架寄存器进行保护。明确了任务堆栈的构造后，编写任务启动函数（指ＯＳＳｔａａｒｔ函数）和任务切换函数（指ＯＳ＿ＴＡＡＳＫ＿ＳＷ和ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ函数）的关键是，在得到了最高优先级的任务堆栈指针后，如何按正确的顺序出栈，直到ＰＣ指针。其中ＯＳ＿ＴＡＳＫ＿ＳＷ，函数在切换任务之前还要编写对当前任务的现场进行保护的程序，而ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ，不用，因为中断函数用Ｃ写成，而ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ，是在中断中调用的，因此，Ｔａｓｋｉｎｇ Ｃ编译器在进中断时已自动对其保护。同时还应注意，由于在中断服务程序中没有定义局部变量，这使得Ｔａｓｋｉｎｇ Ｃ编译器不能对框架寄存器进行保护，因此，对这一寄存器的保护应在设计时自己加上。 ＃ｐｒａｇｍａ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ (ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ＝ＯＳ ＴＩＣＫ ＩＳＲ ＶＥＣＴＯＲ) ｖｏｉｄ ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ(ｖｏｉｄ) { ａｓｍ ｐｕｓｈ ?ｆｒａｍｅ０１; ＯＳＩｎｔＮｅｓｔｉｎｇ＋＋; ｈｓｏ ｃｏｍｍａｎｄ＝０ｘ１９; ＡＤ Ｔｉｍｅｒ Ｃｏｕｎｔ＋＝５０００; ｈｓｏ ｔｉｍｅ ＝ ＡＤ Ｔｉｍｅｒ Ｃｏｕｎｔ; ＯＳＴｉｍｅＴｉｃｋ(); ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ(); ａｓｍ ｐｏｐｆｒａｍｅ０１; } 还应注意，在其它中断服务程序中，如果没有定义局部变量，也应加上对框架寄存器的保护。如果有局部变量，编译器会自动对框架寄存器进行保护。在编写ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ()函数时应当注意，由于ＯＳ-ＩｎｔＣｔｘＳｗ()是在ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ()中调用的，且在调用ＯＳ-ＩｎｔＣｔｘＳｗ()之前又有一个关中断的操作。因此，笔者采用ｐｕｓｈ ａ方式来关闭中断，也就是说，切换到另一高优先级的任务后，会在当前任务中留下在ＯＳＩｎｔＣ-ｔｘＳｗ()和ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ()调用的返回地址４个字节的垃圾和ｐｕｓｈａ关中断时进栈的４个字节垃圾（共８个字节）。因此，为了保证下次切换到该任务的正确性，应将ＳＰ指针加８，然后再进行任务切换。为加深对此的理解，可以做一假设：如果８０１９６ＫＣ是２４位（３个字节）寻址能力，在当前任务中会留下ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ()和ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ()调用的返回地址的６个字节的垃圾，如果关中断直接采用ａｓｍ ｄｉ方式，而不牵扯到堆栈操作，此时ＳＰ应调整６个字节而不是８个字节。 ５　正确性检验 图３是一个点灯程序的主任务流程。其６个灯中的每一个点灯操作都是一个单独任务。第一个灯每两个时钟节拍做一次异或操作。如果ＬＥＤ１每执行２次异或操作向任务２发一信号量２每执行３次异或操作向任务３发一信号量３每执行４次异或操作向任务４发一信号量４，每执行５次异或操作向任务５发一信号量５，每执行６次异或操作向任务６发一信号量６。那么，任务２到任务６在接到相应的信号量时将对自已控制的灯进行一次异或操作。理论分析，ＬＥＤ２到ＬＥＤ６的波形周期分别为ＬＥＤ１的２到６ 倍。笔者曾用示波器对６ 个灯的波形进行观察，其结果与理论分析相符，同时，在连续运行数天后，没有发现死机和复位，证明移植成功。