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基于M16C62單片機(jī)構(gòu)成的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2020-10-30 11:48 ? 次閱讀
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隨著微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,人們對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識日益深入。網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品也越來越受到人們的關(guān)注,嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用也得到了前所未有的發(fā)展,人們對嵌入式的研究也有了長足的進(jìn)步?;谀硞€操作系統(tǒng)的實(shí)時、多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計合應(yīng)用成為單片機(jī)應(yīng)用的新的發(fā)展趨勢。

μC/OS-Ⅱ是一個源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng),它的特點(diǎn)在于公開的源代碼,很強(qiáng)的移植性,占先式多任務(wù),每個任務(wù)有單獨(dú)的棧,中斷管理及很強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性等,目前越來越受到實(shí)時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者的關(guān)注,本文詳細(xì)講述了如何把 uC/OS-II 操作系統(tǒng)移植到 M16C62 單片機(jī)中,并給出了以 M16C62 單片機(jī)為核心處理器構(gòu)成的一個實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計方案。


1、uC/OS-II 的移植

uC/OS-II 采用完全占先式的實(shí)時內(nèi)核,最多可以管理 56 個任務(wù),每個任務(wù)對應(yīng)一個不同的優(yōu)先級,因而,uC/OS-II 操作系統(tǒng)并不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。但是全部 UC/OS-II 的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間是可知的,也就是,uC/OS-II 系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。另外,uC/OS-II 中每個任務(wù)都有自己單獨(dú)的棧,每個棧的大小可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要進(jìn)行分配,這樣壓低了系統(tǒng)對 RAM 的需求;在中斷管理方面,uC/OS-II 中的中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)掛起,如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被中斷喚醒,則高優(yōu)先級的任務(wù)在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行,uC/OS-II 的中斷嵌套可達(dá) 255 層。

uC/OS-II 的源碼大部分是用可移植性很強(qiáng)的 ANSI C 寫的。只是和微處理器有關(guān)的很小一部分代碼是用匯編寫的,這樣把 uC/OS-II 移植到 MC16C62 中就變得相對容易很多,主要是要修改和處理器有關(guān)的代碼,如:OS-CPU.H、OS-CPU-A.ASM、OS-CPU-C.C。

(1)、OS-CUP.H 頭文件

OS_CUP.H 頭文件主要是定義和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型,在 M16C62 中的數(shù)據(jù)類型包括無符號整型、有符號整型、無符號字符型、有符號字符型等。因此,OS_CPU.H 頭文件對這些類型進(jìn)行全新的定義。除了和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型定義外,在 OS-CUP.H 中還作了有關(guān)中斷禁止、中斷允許、堆棧的增長方向等一些簡單宏的定義。

(2)、OS-CPU-A.ASM 文件

在 OS-CPU-A.ASM 文件中包含四個匯編語言的函數(shù):OSSTartHighRdy()、OSCtxsw()、OSIntCtxsw()、OSTickISR()。在 uC/OS-II 中處于就緒態(tài)的任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu),看起來和剛中斷的情形是一樣的。要想運(yùn)行最高優(yōu)先級任務(wù),移植要做的是就是將所有處理器的寄存器按順序從任務(wù)堆棧中恢復(fù)出來,并且通過一條中斷返回語句來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。因而,OSStartHighRdy()就是使要恢復(fù)的任務(wù)堆棧指針指到任務(wù)控制塊的 0 偏址的內(nèi)存單元中。也就是要把保存在任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)以及 CPU 寄存器,如 R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB 和 FB 返回到系統(tǒng)當(dāng)前的寄存器中,并把當(dāng)前堆棧指針指到 PC 指針的位置。

在 uC/OS-II 中任務(wù)的切換問題是通過發(fā)軟件中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。但是中斷服務(wù)例程、陷阱或異常處理例程的向量地址必須指向 OSCtxSw()。在 M16C62 單片機(jī)中可以通過定義軟件中斷 0 來完成任務(wù)的切換。因而,在 M16C62 中的中斷向量表中的 0 號軟件中斷地址指向 OSCtxSW()。對應(yīng)的中斷號為 0。

OSInCtxSw()用來在 ISR 中執(zhí)行切換功能。由于這個函數(shù)本身就是在中斷中被調(diào)用,因而,在中斷處理時寄存器的狀態(tài)已經(jīng)都被正確保存了。在 OSInCtxSw()函數(shù)中要進(jìn)行堆棧清理工作,只有這樣被中斷的任務(wù)的堆棧內(nèi)容才能正確返回。

OSTIckISR()這個函數(shù)時 UC/OS-II 所要求的時鐘基準(zhǔn),即時鐘節(jié)拍,uC/OS-II 的時鐘節(jié)拍頻率在 10 到 100 之間,通常為了計算方便而設(shè)為整數(shù)。在 M16C62 中有多個定時計數(shù)器可以選擇用來作為系統(tǒng)的時鐘基準(zhǔn)。在該系統(tǒng)中利用時鐘定時器 A0 來產(chǎn)生頻率為 100 的一個時鐘節(jié)拍。OSTIckISR()是一個中斷響應(yīng)函數(shù),因而必須在 M16C62 的中斷向量表中,A0 的中斷向量應(yīng)分配給 OSTIckISR(),對應(yīng)的中斷向量號是 21。

(3)、OS_CPU_C.C 文件

在這個 C 文件中包含 6 個簡單的 C 函數(shù),而這 6 個函數(shù)中和移植關(guān)系最密切的 OSTaskInit()函數(shù),這個函數(shù)是用來創(chuàng)建一個任務(wù)堆棧。OSTaskCreat()和 OSTaskExt()就是通過調(diào)用這個函數(shù)來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)的,由此看來,OSTaskInit()是移植的關(guān)鍵。在前面的 OS_CPU_A.ASM 文件中,任務(wù)的切換是通過調(diào)用一個軟中斷 0 來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換,通過中斷的返回指令使堆棧中的數(shù)據(jù)返回到 CPU 寄存器,使最高優(yōu)先級的任務(wù)占有 CPU,因而,OSTaskInit()函數(shù)要做的就是模擬中斷發(fā)生時處理器壓棧的過程,把 CPU 的寄存器內(nèi)容壓到任務(wù)堆棧中。在 M16C62 單片機(jī)中,系統(tǒng)分為兩個堆棧,即:用戶堆棧和中斷堆棧,而在 uC/OS-II 進(jìn)行任務(wù)切換是通過軟中斷 0 來實(shí)現(xiàn)的,因此,uC/OS-II 的任務(wù)堆棧是 M16C62 中的中斷堆棧。

中斷堆棧中依次保存程序計數(shù)器 PC 和標(biāo)志寄存器 FLG 中的內(nèi)容,因此,在 OSTaskStkInit()函數(shù)中就是要模擬這樣的一個壓棧過程。先壓入 FLAG 的高四位和 PC 指針的高四位,接著壓入 FLAG 低位、PC 中間八位和 PC 的低八位。在保存完 PC 和 FLAG 位后就應(yīng)該為 CPU 的寄存器 FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1 和 R0 分配相應(yīng)存儲空間。OSTaskInit()函數(shù)返回的是任務(wù)堆棧的指針。

2、多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計是以 M16C62 單片機(jī)為 CPU,以 uC/OS-II 為操作系統(tǒng)構(gòu)成一個實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng),系統(tǒng)包括一個基于 SPI 總線的溫度傳感器(DS1722)、一個基于 I2C 總線的實(shí)時鐘(X1226)、一個 LCD(JM202A)和鍵盤。M16C62 工作在微處理器模式,片外擴(kuò)展一個 32K×16 位的 RAM(Cy7c1021b)和由兩片 EEPROM(EEP29010-90)構(gòu)成的存儲器。多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計主要包括:單片機(jī)資源分配和多任務(wù)設(shè)計兩個方面。

(1)M16C62 單片機(jī)資源分配

M16C62 單片機(jī)是一個 16 位單片機(jī),線性尋址空間是 1M,但片內(nèi)的 RAM 大小只有 3Kbyte,因此要使多任務(wù)系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地工作必須合理分配資源。uC/OS-II 中所有內(nèi)核代碼必須在 RAM 區(qū)而把系統(tǒng)堆棧區(qū)劃塊到 3K RAM 區(qū)外。通過對 Ncrt0.a30 和 Sect30.inc 這兩個 M16C62 配置文件,可以完成對單片機(jī)的資源劃分。NC30 編譯器一開始就會編譯 Ncrt0.a30 和 Sect30.inc 這兩個文件,完成對 CPU 的初始化,和資源分配,主要包括:存儲器空間、RAM 區(qū)分配、中斷向量分配、堆棧區(qū)劃分等。

(2)多任務(wù)設(shè)計

該系統(tǒng)中除了 uC/OS-II 的空閑任務(wù)外,還包括實(shí)時鐘任務(wù)、溫度采集任務(wù)和鍵盤中斷任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲任務(wù)。實(shí)時鐘主要是能精確記錄系統(tǒng)的日期,任務(wù)優(yōu)先級為 10,該任務(wù)處于一直工作狀態(tài);溫度采集任務(wù)的優(yōu)先級為 20,主要是完成溫度數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)存儲任務(wù)是在溫度發(fā)生較大變化的時候記錄當(dāng)時的時間和溫度,任務(wù)優(yōu)先級為 30,在一般情況下這個任務(wù)是處在掛起狀態(tài),一旦溫度變動超過預(yù)置范圍,溫度采集任務(wù)就會發(fā)出一個有效信號量使處于掛起態(tài)的數(shù)據(jù)存儲任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。鍵盤中斷任務(wù)是通過 M16C62 的鍵盤中斷來完成參數(shù)的設(shè)定,該任務(wù)以一個中斷處理函數(shù)的形式來完成的。

3、結(jié)束語

把 uC/OS-II 移植到 M16C62 單片機(jī)中,并以 M16C62 單片機(jī)為微處理器構(gòu)成一個實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng),不僅系統(tǒng)設(shè)計簡潔、硬件結(jié)構(gòu)相對與 51 系列單片機(jī)來說也要簡單,而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。以 M16C62 為微處理器,以 uC/OS-II 為實(shí)時操作系統(tǒng)構(gòu)成的多任務(wù)系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用在小型實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)中,具有較好的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃昊宇

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