MicroC/OS-II在80C196上的移植实现
时间:2022-11-17 10:05:00
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摘要:在嵌入式系统中使用实时操作系统,可以提高系统的稳定性、可靠性和实时性。microc/os-ii是一个完整的,可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核,并且开放源代码,得到了广泛应用。本文结合具体应用,介绍了MicroC/OS-II在80c196上移植实现过程和注意事项。
关键词:实时操作系统MicroC/OS-II80C196移植
在嵌入式系统开发中,很长时间以来,一直采用传统的嵌入式系统软件设计模式:无限循环+中断服务。该模式下,主程序为一个无限循环,单任务顺序执行各个处理任务。在循环之外,设计一个或多个中断服务函数,用于处理异步事件。在相对简单的应用中,这种模式,完全可以胜任。而对于实时性要求较高、处理任务较多的应用,就会暴露出实时性差的缺点,甚至不能够达到应用的要求,系统可靠性低,稳定性差。引入实时操作系统,可以较好解决这个问题。
MicroC/OS-II是一个完整的,可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核,并且开放源代码,在嵌入式系统中得到了广泛应用。为了实现老系统功能升级,达到了不改变硬件设计,增加系统功能、提高系统性能的目的,从而采用该实时操作系统。本文介绍了将其移植应用于80C196的具体实现和注意事项。
所谓移植,就是使一个实时内核能够在其他微处理器或微控制器上运行。移植要做的是,修改或编写与处理器硬件相关的代码。由于80C196系统的资源有限,除了代码移植,还要根据具体应用,对MicroC/OS-II进行裁剪,以达到系统的设计要求。
1.MicroC/OS-II简介
MicroC/OS-II的系统结构见图1。
MicroC/OS-II最主要的特点之一是源代码开放,有利于用户根据具体应用对操作系统进行充分的裁减。这也使得其可移植性非常的强。
MicroC/OS-II是为嵌入式应用专门设计的,完全可与应用软件融合在一起,进行编译、连接,进而作为产品的一部分。
MicroC/OS-II是完全可剥夺型的实时内核,总是运行就绪任务中最高优先级的任务,即准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。
2.移植的基本思路
2.1编译器
采用TASKING公司的C196编译器,可以方便的嵌入汇编语言,因此该移植所有的函数都在OS_CPU_C.C中实现,没有OS_CPU_A.ASM文件。能够采用C语言编码的,尽量采用C语言编码;不能采用C代码的,采用嵌入汇编的方式。以此降低代码的分散度,提高代码的可读性。
2.2代码移植
代码移植,需要修改或编写与处理器硬件相关的代码。包括与处理器相关的数据类型定义,函数定义,存储器操作等。其中的主要任务有:
1)重新编辑INCLUDES.H文件,增加与应用相关的头文件;改写OS_CPU.H文件;
2)改写OS_CFG.H文件;编写OS_CPU_C.C;
3)优化代码效率。
2.3存储资源
由于80C196系统的物理资源十分有限,需要对系统内核进行充分的裁剪。
片内可用内存为220个字节,在系统中外部扩展3584(3.5K)个字节。为了提高系统速度,操作系统尽量使用片内存储区。系统应用中经常使用的变量,也需要分配在片内存储区。
为了节约存储资源采取以下措施:
1)裁剪不使用的功能模块和其使用相应变量。
2)根据应用的需要裁剪所需资源的规模。例如,在应用中实际使用任务为6个,所以将OSRdyTbl由一个数组,更改为一个8位变量,并去掉OSRdyGrp,因为其永远是0。
3)修改OS_InitTaskIdle内容,将OS_TaskIdle任务换为应用的最低优先级的任务。
4)裁剪OS_TCB的内容。例如,永远不会使用的变量OSTCBY和OSTCBBitY。
5)裁剪中断嵌套的相关内容。
2.4时间资源
MicroC/OS-II推荐的时钟节拍为10~200ms,而本系统的实际时钟节拍为250μs,这样系统额外开销必然大幅度增加,系统时间资源十分紧张。
为了节约时间资源采取以下措施:
1)弃用OSTimeDly函数,直接操作任务定时器,调用OS_Sched函数。
2)弃用OSIntExit和OSIntCtxSw函数,将其源代码直接加入软件定时器中断服务函数。
3)降低其他中断服务函数的代码长度,且不进行任务切换,降低系统时钟的误差。
4)根据编译得到的汇编代码,对部分C语言代码进行优化。
3.移植实现
3.1任务分配
一个任务,也称为一个线程,是一个简单的程序,该程序可以认为CPU完全属于自己。每个任务有独立的堆栈空间和优先级。
根据每个任务的内容可以在相应位置,使任务就绪。而任务就绪和任务切换可以分开。例如,在接收中断中,使可以CAN通信任务就绪,但可以不进行任务切换,而在系统时钟函数中进行任务切换。系统总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。
3.2时钟节拍
时钟节拍是特定的周期性中断,根据应用系统的需要,时钟节拍的周期为250μs,采用软件定时器实现。在该服务函数中实现任务切换,为了节省时间和存储资源,不进行函数调用。
软件定时器中断服务函数实现代码如下:
voidOSTickISR(void)
{
……//重置软件定时器
OS250usCount++;//计数器加1
if((OS250usCount&0x03)==0){
……
OS1msCount++;//1ms定时器
OS50msDly++;//50ms定时器
OSRdyTbl|=0x20;//1ms定时到,就绪TaskChk任务
……}
//OSIntExit()中断退出任务切换
OSPrioHighRdy=OSUnMapTbl[OSRdyTbl];//取得最高优先级就绪任务的优先级
if(OSPrioHighRdy!=OSPrioCur)//判断当前任务优先级是否与最高优先级就绪任务的优先级相同
{
//OSIntCtxSw();
OSTCBCur->OSTCBStkPtr=psp;//存储被中断任务的堆栈指针
OSTCBCur=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];//取得最高优先级就绪任务的TCB
OSPrioCur=OSPrioHighRdy;//设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级
psp=OSTCBCur->OSTCBStkPtr;//取得堆栈指针
asm{//现场恢复
popdx;popcx;popbx;popax;popa;
ret;//切换到最高优先级就绪任务,必须要有的
}
}
}
3.3中断
由于中断的存在,任何代码在任何时候,都有可能被中断。而有些代码是不可分割的,如果被中断将会产生不可预料的后果。因此定义临界段,以处理不可分割的代码。一旦该部分代码开始执行,不允许任何中断插入。为了确保临界段代码的执行不被中断,在进入临阶段之前,必须关中断,临界段代码执行结束,开中断。
为80C196定义OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL如下:
//中断禁止函数
#defineOS_ENTER_CRITICAL()asmDI
//中断使能函数
#defineOS_EXIT_CRITICAL()asmEI
3.4其他代码实现
3.4.1任务堆栈初始化函数
任务堆栈初始化函数代码如下:
OS_STK*OSTaskStkInit(void(*task)(void*pd),void*pdata,OS_STK*ptos,INT16Uopt)
{
……
stk=(OS_STK*)ptos;
*--stk=(OS_STK)task;//任务开始地址
*--stk=(OS_STK)0x0000|gimask;//PSWIMASK
*--stk=(OS_STK)0x0000|gimask1;//IMASK1WSR
*--stk=(OS_STK)4;//DX
*--stk=(OS_STK)3;//CX
*--stk=(OS_STK)2;//BX
*--stk=(OS_STK)1;//AX
return((OS_STK*)stk);
}
3.4.2开始运行最高优先级就绪任务
系统开始运行时,调用该函数,以开始运行,其实现代码如下:
voidOSStartHighRdy(void)
{
OSRunning=TRUE;//置系统正在运行标志
……
OSTCBCur=OSTCBHighRdy;//置当前TCB为最高优先级就绪任务的TCB
psp=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;//取得堆栈指针
asm{//恢复现场
popdx;popcx;popbx;popax;popa;//转到新任务
}
}
3.4.3现场切换函数
OS_Sched函数调用该函数实现真正的任务切换。
voidOSCtxSw(void)
{
asm{//保存被中断任务的现场
pusha;pushax;pushbx;pushcx;pushdx;
}
OSTCBCur->OSTCBStkPtr=psp;//存储被中断任务的堆栈指针
OSTCBCur=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];//取得最高优先级就绪任务的TCB
OSPrioCur=OSPrioHighRdy;//设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级
psp=OSTCBCur->OSTCBStkPtr;//取得堆栈指针
asm{//现场恢复
popdx;popcx;popbx;popax;popa;
}
}
4.注意事项
在实现过程中的得到如下经验教训:
1)尽量减少任务的数量,以减少系统额外开销。相对少的任务数,可以减少,系统花在任务切换上的时间。
2)合理分配各个任务的优先级。
3)注意开中断、关中断的时机。
4)注意入栈和出栈要匹配。如果堆栈指针出现错位,将会出现灾难性后果。特别注意中断服务函数的处理,其调用时的入栈内容和退出中断的出栈内容要对应,而中断退出有两种可能:正常退出和任务切换。
5)合理选择定时器时间周期。
6)同类型工作,也同样需要有优先级区分。例如:同样是通信任务,接收数据需要较高的优先级,而通信故障处理需要较低的优先级。一般情况下,通信处理都有一定的故障容忍时间,只要在容忍时间内得到处理就可以了。如果发生不可恢复性错误,故障处理将会占用大量的时间,如果在较高优先级,将会影响整个系统的性能。
5.结论
通过在80C196上移植实现MicroC/OS-II,达到了不改变硬件设计,增加应用功能,提高了应用系统性能的目的。在嵌入式系统中使用嵌入式实时操作系统,不但可以提高系统的实时性、可靠性和稳定性,还可以提高应用软件的可移植性和可维护性,降低开发人员的工作量。因此,只要硬件环境允许,应尽量采用实时操作系统。
参考文献:
1.JeanJ.Labrosse著,邵贝贝等译,《嵌入式实时操作系统μC/OS-II(第二版)》,北京航空航天大学出版社,2003年5月第1版
2.孙涵芳主编,《Intel16位单片机》,北京航空航天大学出版社,1995年11月第1版
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