?? 在51系列單片機上移植ucos.htm
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<TD vAlign=top><FONT face=華文行楷 color=#9999ff size=4><IMG height=30
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border=0> </FONT><FONT face=華文行楷 color=#800080 size=4>
起點單片機</FONT><FONT face=華文行楷 color=#9999ff
size=4> (資料下載)</FONT> <FONT
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</FONT><FONT
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<P><B><FONT face=新宋體 color=#000080
size=4>在51系列單片機上移植uCOS-II</FONT></B></P>
<P><FONT class=b1><FONT face=新宋體 color=#000080
size=2>內(nèi)容摘要：本文詳細系統(tǒng)地介紹了uC/OS-II在51單片機上的移植、重入實現(xiàn)方法、硬件仿真、固化、人機界面等關(guān)鍵內(nèi)容。<BR>關(guān)鍵詞：嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、uC/OS-II、C51<BR>引言：隨著各種應(yīng)用電子系統(tǒng)的復(fù)雜化和系統(tǒng)實時性需求的提高，并伴隨應(yīng)用軟件朝著系統(tǒng)化方向發(fā)展的加速，在16位/32位單片機中廣泛使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)。然而實際使用中卻存在著大量8位單片機，從經(jīng)濟性考慮，對某些應(yīng)用場合，在8位MCU上使用操作系統(tǒng)是可行的。從學(xué)習操作系統(tǒng)角度，uC/OS-II
for
51即簡單又全面，學(xué)習成本低廉，值得推廣。<BR>結(jié)語：μC/OS-II具有免費、簡單、可靠性高、實時性好等優(yōu)點，但也有缺乏便利開發(fā)環(huán)境等缺點，尤其不像商用嵌入式系統(tǒng)那樣得到廣泛使用和持續(xù)的研究更新。但開放性又使得開發(fā)人員可以自行裁減和添加所需的功能，在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著獨特的作用。當然，是否在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II應(yīng)視所開發(fā)的項目而定，對于一些簡單的、低成本的項目來說，就沒必要使用嵌入式操作系統(tǒng)了。</FONT></P>
<P></P>
<P><FONT face=新宋體 color=#000080
size=2>uC/OS-II原理：<BR>uCOSII包括任務(wù)調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理、資源管理（信號量、郵箱、消息隊列）四大部分，沒有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、輸入輸出界面。它的移植只與4個文件相關(guān)：匯編文件（OS_CPU_A.ASM）、處理器相關(guān)C文件（OS_CPU.H、OS_CPU_C.C）和配置文件（OS_CFG.H）。有64個優(yōu)先級，系統(tǒng)占用8個，用戶可創(chuàng)建56個任務(wù)，不支持時間片輪轉(zhuǎn)。它的基本思路就是
“近似地每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)”
。為了保證這一點，它在調(diào)用系統(tǒng)API函數(shù)、中斷結(jié)束、定時中斷結(jié)束時總是執(zhí)行調(diào)度算法。原作者通過事先計算好數(shù)據(jù)，簡化了運算量，通過精心設(shè)計就緒表結(jié)構(gòu)，使得延時可預(yù)知。任務(wù)的切換是通過模擬一次中斷實現(xiàn)的。<BR>uCOSII工作核心原理是：近似地讓最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)。<BR>操作系統(tǒng)將在下面情況中進行任務(wù)調(diào)度：調(diào)用API函數(shù)(用戶主動調(diào)用)，中斷(系統(tǒng)占用的時間片中斷OsTimeTick(),用戶使用的中斷)。<BR>調(diào)度算法書上講得很清楚，我主要講一下整體思路。<BR>(1)在調(diào)用API函數(shù)時，有可能引起阻塞,如果系統(tǒng)API函數(shù)察覺到運行條件不滿足，需要切換就調(diào)用OSSched()調(diào)度函數(shù)，這個過程是系統(tǒng)自動完成的，用戶沒有參與。OSSched()判斷是否切換，如果需要切換，則此函數(shù)調(diào)用OS_TASK_SW()。這個函數(shù)模擬一次中斷(在51里沒有軟中斷，我用子程序調(diào)用模擬，效果相同)，好象程序被中斷打斷了，其實是OS故意制造的假象，目的是為了任務(wù)切換。既然是中斷，那么返回地址(即緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址)就被自動壓入堆棧，接著在中斷程序里保存CPU寄存器(PUSHALL)……。堆棧結(jié)構(gòu)不是任意的，而是嚴格按照uCOSII規(guī)范處理。OS每次切換都會保存和恢復(fù)全部現(xiàn)場信息(POPALL)，然后用RETI回到任務(wù)斷點繼續(xù)執(zhí)行。這個斷點就是OSSched()函數(shù)里的緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址。切換的整個過程就是，用戶任務(wù)程序調(diào)用系統(tǒng)API函數(shù)，API調(diào)用OSSched()，OSSched()調(diào)用軟中斷OS_TASK_SW()即OSCtxSw，返回地址(PC值)壓棧，進入OSCtxSw中斷處理子程序內(nèi)部。反之，切換程序調(diào)用RETI返回緊鄰OS_TASK_SW()的下一條匯編指令的PC地址，進而返回OSSched()下一句，再返回API下一句，即用戶程序斷點。因此，如果任務(wù)從運行到就緒再到運行，它是從調(diào)度前的斷點處運行。<BR>(2)中斷會引發(fā)條件變化，在退出前必須進行任務(wù)調(diào)度。uCOSII要求中斷的堆棧結(jié)構(gòu)符合規(guī)范，以便正確協(xié)調(diào)中斷退出和任務(wù)切換。前面已經(jīng)說到任務(wù)切換實際是模擬一次中斷事件，而在真正的中斷里省去了模擬(本身就是中斷嘛)。只要規(guī)定中斷堆棧結(jié)構(gòu)和uCOSII模擬的堆棧結(jié)構(gòu)一樣，就能保證在中斷里進行正確的切換。任務(wù)切換發(fā)生在中斷退出前，此時還沒有返回中斷斷點。仔細觀察中斷程序和切換程序最后兩句，它們是一模一樣的，POPALL+RETI。即要么直接從中斷程序退出，返回斷點；要么先保存現(xiàn)場到TCB，等到恢復(fù)現(xiàn)場時再從切換函數(shù)返回原來的中斷斷點(由于中斷和切換函數(shù)遵循共同的堆棧結(jié)構(gòu)，所以退出操作相同，效果也相同)。用戶編寫的中斷子程序必須按照uCOSII規(guī)范書寫。任務(wù)調(diào)度發(fā)生在中斷退出前，是非常及時的，不會等到下一時間片才處理。OSIntCtxSw()函數(shù)對堆棧指針做了簡單調(diào)整，以保證所有掛起任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)看起來是一樣的。<BR>(3)在uCOSII里，任務(wù)必須寫成兩種形式之一(《uCOSII中文版》p99頁)。在有些RTOS開發(fā)環(huán)境里沒有要求顯式調(diào)用OSTaskDel()，這是因為開發(fā)環(huán)境自動做了處理，實際原理都是一樣的。uCOSII的開發(fā)依賴于編譯器，目前沒有專用開發(fā)環(huán)境，所以出現(xiàn)這些不便之處是可以理解的。<BR>移植過程：<BR>(1)拷貝書后附贈光盤sourcecode目錄下的內(nèi)容到C:\YY下，刪除不必要的文件和EX1L.C，只剩下p187(《uCOSII》)上列出的文件。<BR>(2)改寫最簡單的OS_CPU.H<BR>數(shù)據(jù)類型的設(shè)定見C51.PDF第176頁。注意BOOLEAN要定義成unsigned
char
類型，因為bit類型為C51特有，不能用在結(jié)構(gòu)體里。<BR>EA=0關(guān)中斷；EA=1開中斷。這樣定義即減少了程序行數(shù)，又避免了退出臨界區(qū)后關(guān)中斷造成的死機。<BR>MCS-51堆棧從下往上增長(1=向下，0=向上)，OS_STK_GROWTH定義為0<BR>#define
OS_TASK_SW() OSCtxSw()
因為MCS-51沒有軟中斷指令，所以用程序調(diào)用代替。兩者的堆棧格式相同，RETI指令復(fù)位中斷系統(tǒng)，RET則沒有。實踐表明，對于MCS-51，用子程序調(diào)用入棧，用中斷返回指令RETI出棧是沒有問題的，反之中斷入棧RET出棧則不行。總之，對于入棧，子程序調(diào)用與中斷調(diào)用效果是一樣的，可以混用。在沒有中斷發(fā)生的情況下復(fù)位中斷系統(tǒng)也不會影響系統(tǒng)正常運行。詳見《uC/OS-II》第八章193頁第12行<BR>(3)改寫OS_CPU_C.C<BR>我設(shè)計的堆棧結(jié)構(gòu)如下圖所示：<BR><IMG
height=374 src="在51系列單片機上移植uCOS.files/2004311205045734.jpg" width=553
border=0></FONT></P><FONT
color=#000080><BR>TCB結(jié)構(gòu)體中OSTCBStkPtr總是指向用戶堆棧最低地址，該地址空間內(nèi)存放用戶堆棧長度，其上空間存放系統(tǒng)堆棧映像，即：用戶堆棧空間大小=系統(tǒng)堆棧空間大小+1。<BR>SP總是先加1再存數(shù)據(jù)，因此，SP初始時指向系統(tǒng)堆棧起始地址(OSStack)減1處(OSStkStart)。很明顯系統(tǒng)堆棧存儲空間大小=SP-OSStkStart。<BR>任務(wù)切換時，先保存當前任務(wù)堆棧內(nèi)容。方法是：用SP-OSStkStart得出保存字節(jié)數(shù)，將其寫入用戶堆棧最低地址內(nèi)，以用戶堆棧最低地址為起址，以O(shè)SStkStart為系統(tǒng)堆棧起址，由系統(tǒng)棧向用戶棧拷貝數(shù)據(jù)，循環(huán)SP-OSStkStart次，每次拷貝前先將各自棧指針增1。<BR>其次，恢復(fù)最高優(yōu)先級任務(wù)系統(tǒng)堆棧。方法是：獲得最高優(yōu)先級任務(wù)用戶堆棧最低地址，從中取出“長度”，以最高優(yōu)先級任務(wù)用戶堆棧最低地址為起址，以O(shè)SStkStart為系統(tǒng)堆棧起址，由用戶棧向系統(tǒng)棧拷貝數(shù)據(jù)，循環(huán)“長度”數(shù)值指示的次數(shù)，每次拷貝前先將各自棧指針增1。<BR>用戶堆棧初始化時從下向上依次保存：用戶堆棧長度（15），PCL，PCH，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任務(wù)切換時根據(jù)用戶堆棧長度計算得出。<BR>OSTaskStkInit函數(shù)總是返回用戶棧最低地址。<BR>操作系統(tǒng)tick時鐘我使用了51單片機的T0定時器，它的初始化代碼用C寫在了本文件中。<BR>最后還有幾點必須注意的事項。本來原則上我們不用修改與處理器無關(guān)的代碼，但是由于KEIL編譯器的特殊性，這些代碼仍要多處改動。因為KEIL缺省情況下編譯的代碼不可重入，而多任務(wù)系統(tǒng)要求并發(fā)操作導(dǎo)致重入，所以要在每個C函數(shù)及其聲明后標注reentrant關(guān)鍵字。另外，“pdata”、“data”在uCOS中用做一些函數(shù)的形參，但它同時又是KEIL的關(guān)鍵字，會導(dǎo)致編譯錯誤，我通過把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解決了此問題。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy這幾個變量在匯編程序中用到了，為了使用Ri訪問而不用DPTR，應(yīng)該用KEIL擴展關(guān)鍵字IDATA將它們定義在內(nèi)部RAM中。<BR>(4)重寫OS_CPU_A.ASM<BR>A51宏匯編的大致結(jié)構(gòu)如下：<BR>NAME 模塊名 ;與文件名無關(guān)<BR>;定義重定位段
必須按照C51格式定義，匯編遵守C51規(guī)范。段名格式為：?PR?函數(shù)名?模塊名<BR>;聲明引用全局變量和外部子程序
注意關(guān)鍵字為“EXTRN”沒有‘E’<BR>全局變量名直接引用<BR>無參數(shù)/無寄存器參數(shù)函數(shù) FUNC<BR>帶寄存器參數(shù)函數(shù)
_FUNC<BR>重入函數(shù)
_?FUNC<BR>;分配堆棧空間<BR>只關(guān)心大小，堆棧起點由keil決定，通過標號可以獲得keil分配的SP起點。切莫自己分配堆棧起點，只要用DS通知KEIL預(yù)留堆棧空間即可。<BR>?STACK段名與STARTUP.A51中的段名相同，這意味著KEIL在LINK時將把兩個同名段拼在一起，我預(yù)留了40H個字節(jié)，STARTUP.A51預(yù)留了1個字節(jié)，LINK完成后堆棧段總長為41H。查看yy.m51知KEIL將堆棧起點定在21H，長度41H，處于內(nèi)部RAM中。<BR>;定義宏<BR>宏名
MACRO 實體
ENDM<BR>;子程序<BR>OSStartHighRdy<BR>OSCtxSw<BR>OSIntCtxSw<BR>OSTickISR<BR>SerialISR<BR>END
;聲明匯編源文件結(jié)束<BR><BR>一般指針占3字節(jié)。+0類型+1高8位數(shù)據(jù)+2低8位數(shù)據(jù)
詳見C51.PDF第178頁<BR>低位地址存高8位值，高位地址存低8位值。例如0x1234，基址+0:0x12
基址+1:0x34<BR><BR>(5)移植串口驅(qū)動程序<BR>在此之前我寫過基于中斷的串口驅(qū)動程序，包括打印字節(jié)/字/長字/字符串，讀串口，初始化串口/緩沖區(qū)。把它改成重入函數(shù)即可直接使用。<BR>系統(tǒng)提供的顯示函數(shù)是并發(fā)的，它不是直接顯示到串口，而是先輸出到顯存，用戶不必擔心IO慢速操作影響程序運行。串口輸入也采用了同樣的技術(shù)，他使得用戶在CPU忙于處理其他任務(wù)時照樣可以盲打輸入命令。<BR>(6)編寫測試程序Demo(YY.C)<BR>Demo程序創(chuàng)建了3個任務(wù)A、B、C優(yōu)先級分別為2、3、4，A每秒顯示一次，B每3秒顯示一次，C每6秒顯示一次。從顯示結(jié)果看，顯示3個A后顯示1個B，顯示6個A和2個B后顯示1個C，結(jié)果顯然正確。<BR>顯示結(jié)果如下：<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111 is
active<BR>BBBBBB333333 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>BBBBBB333333 is
active<BR>CCCCCC666666 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>BBBBBB333333 is
active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>BBBBBB333333 is active<BR>CCCCCC666666 is
active<BR>Demo程序經(jīng)Keil701編譯后，代碼量為7-8K，可直接在KeilC51上仿真運行。<BR>編譯時要將OS_CPU_C.C、UCOS_II.C、OS_CPU_A.ASM、YY.C加入項目</FONT>
<P></P>
<P><FONT color=#000080>文件名 : OS_CPU_A.ASM</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>$NOMOD51<BR>EA BIT 0A8H.7<BR>SP DATA 081H<BR>B DATA
0F0H<BR>ACC DATA 0E0H<BR>DPH DATA 083H<BR>DPL DATA 082H<BR>PSW DATA
0D0H<BR>TR0 BIT 088H.4<BR>TH0 DATA 08CH<BR>TL0 DATA 08AH</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>NAME OS_CPU_A
;模塊名<BR><BR>;定義重定位段<BR>?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A SEGMENT
CODE<BR>?PR?OSCtxSw?OS_CPU_A SEGMENT CODE<BR>?PR?OSIntCtxSw?OS_CPU_A
SEGMENT CODE<BR>?PR?OSTickISR?OS_CPU_A SEGMENT CODE</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>?PR?_?serial?OS_CPU_A SEGMENT
CODE<BR><BR>;聲明引用全局變量和外部子程序<BR>EXTRN IDATA (OSTCBCur)<BR>EXTRN IDATA
(OSTCBHighRdy)<BR>EXTRN IDATA (OSRunning)<BR>EXTRN IDATA
(OSPrioCur)<BR>EXTRN IDATA (OSPrioHighRdy)<BR><BR>EXTRN CODE
(_?OSTaskSwHook)<BR>EXTRN CODE (_?serial)<BR>EXTRN CODE
(_?OSIntEnter)<BR>EXTRN CODE (_?OSIntExit)<BR>EXTRN CODE (_?OSTimeTick)
<BR><BR>;對外聲明4個不可重入函數(shù)<BR>PUBLIC OSStartHighRdy<BR>PUBLIC OSCtxSw<BR>PUBLIC
OSIntCtxSw<BR>PUBLIC OSTickISR<BR><BR>;PUBLIC SerialISR
<BR><BR>;分配堆棧空間。只關(guān)心大小，堆棧起點由keil決定，通過標號可以獲得keil分配的SP起點。<BR>?STACK SEGMENT
IDATA<BR>RSEG ?STACK<BR>OSStack:<BR>DS 40H<BR>OSStkStart IDATA
OSStack-1</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>;定義壓棧出棧宏<BR>PUSHALL MACRO<BR>PUSH PSW<BR>PUSH
ACC<BR>PUSH B<BR>PUSH DPL<BR>PUSH DPH<BR>MOV A,R0 ;R0-R7入棧<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R1<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R2<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R3<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R4<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R5<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R6<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R7<BR>PUSH ACC<BR>;PUSH SP
;不必保存SP，任務(wù)切換時由相應(yīng)程序調(diào)整<BR>ENDM<BR><BR>POPALL MACRO<BR>;POP ACC
;不必保存SP，任務(wù)切換時由相應(yīng)程序調(diào)整<BR>POP ACC ;R0-R7出棧<BR>MOV R7,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R6,A<BR>POP ACC<BR>MOV R5,A<BR>POP ACC<BR>MOV R4,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R3,A<BR>POP ACC<BR>MOV R2,A<BR>POP ACC<BR>MOV R1,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R0,A<BR>POP DPH<BR>POP DPL<BR>POP B<BR>POP ACC<BR>POP
PSW<BR>ENDM<BR><BR>;子程序<BR>;-------------------------------------------------------------------------<BR>RSEG
?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A<BR>OSStartHighRdy:<BR>USING 0
;上電后51自動關(guān)中斷，此處不必用CLR EA指令，因為到此處還未開中斷，本程序退出后，開中斷。<BR>LCALL
_?OSTaskSwHook</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>OSCtxSw_in:<BR><BR>;OSTCBCur ===> DPTR
獲得當前TCB指針，詳見C51.PDF第178頁<BR>MOV R0,#LOW (OSTCBCur)
;獲得OSTCBCur指針低地址，指針占3字節(jié)。+0類型+1高8位數(shù)據(jù)+2低8位數(shù)據(jù)<BR>INC R0<BR>MOV DPH,@R0
;全局變量OSTCBCur在IDATA中<BR>INC R0<BR>MOV
DPL,@R0<BR><BR>;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR 獲得用戶堆棧指針<BR>INC DPTR
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