用協(xié)處理器提高μC/OS-II的實時性

μC/OS-II是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務實時操作系統(tǒng)(RTOS)。本文提出用雙核單片機提高實時操作系統(tǒng)μC/OS-II實時性的新思路，給出以協(xié)處理器實現(xiàn)μC/OS-II時鐘節(jié)拍的方法和步驟，測試并驗證了該方法對應用系統(tǒng)實時性的提升以及計時精度的提高。

關鍵詞? μC/OS-II? HCS12X? XGATE實時性? 協(xié)處理器

引言

　　μC/OS-II最多支持63個任務，并支持信號量、郵箱、消息隊列等多種進程間通信機制;同時，用戶可以根據(jù)需求對內(nèi)核中的功能模塊進行裁剪。將μC/OS-II應用到嵌入式系統(tǒng)中，對于提高產(chǎn)品的質量、縮短開發(fā)周期和降低成本都有重要的意義。

　　為了保證系統(tǒng)的實時性，μC/OS-II采用查表策略，使優(yōu)先級最高的任務一旦進入就緒態(tài)就立刻可以運行。這種查表算法與應用系統(tǒng)的任務數(shù)目無關，執(zhí)行時間是固定值，從而保證了系統(tǒng)的硬實時性。μC/OS-II實時內(nèi)核中唯一一個執(zhí)行時間受任務數(shù)目影響的函數(shù)是時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍的中斷服務子程序需要遍歷所有使用延遲函數(shù)的任務，故執(zhí)行時間與任務數(shù)目有關，為非固定值。此外，時鐘節(jié)拍的頻率也不能太高，否則會因為CPU頻繁加載中斷服務子程序，導致加重了CPU負荷，影響μC/OS-II的實時性。

　　Freescale公司的16位HCS12X（簡稱“S12X”）系列單片機引入了一個協(xié)處理器，名為“XGATE”。與普通意義上的浮點協(xié)處理器不同，這個協(xié)處理器主要用來處理中斷。如果采用協(xié)處理器來處理μC/OS-II時鐘節(jié)拍的中斷，那么主CPU無需頻繁加載中斷服務子程序，從而保證μC/OS-II內(nèi)核的所有函數(shù)執(zhí)行時間都為固定值。這樣，μC/OS-II的實時性就得到了保證，還能以提高時鐘節(jié)拍中斷頻率的方法提高應用系統(tǒng)定時的精度。

1? 單片機中的協(xié)處理器

　　HCS12X系列單片機中的XGATE協(xié)處理器是精簡指令集（RISC）結構的處理器，它的工作時鐘頻率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系統(tǒng)時可決定使用或禁用XGATE。若使用，則XGATE在初始化后就獨立地運行，并通過雙端口RAM與CPU交換數(shù)據(jù)，必要時向主CPU發(fā)中斷請求。

　　XGATE處理完所有的中斷后進入休眠態(tài)，停止運行，直到下一次中斷發(fā)生。XGATE比較適合響應的中斷主要是加載頻率高的中斷，或不帶通信緩沖區(qū)的I/O中斷，例如SCI發(fā)送或接收中斷、PWM輸出中斷等。而對于本身帶發(fā)送、接收緩沖區(qū)的中斷（如CAN中斷、USB中斷等），采用協(xié)處理器處理中斷優(yōu)勢不明顯。

　　μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷是一個頻繁發(fā)生的中斷，所以很適合采用XGATE來響應。以下重點介紹如何用XGATE協(xié)處理器響應μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷。

2? 用XGATE實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍

　　μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷可以采用單片機的實時中斷（RealTime Interrupt，RTI）來實現(xiàn)。當然也可以使用定時器中的計數(shù)器來產(chǎn)生時鐘節(jié)拍，原理相同，方法近似。使用XGATE來響應RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍時，XGATE協(xié)處理器和主CPU的分工如表1所列。

表1? XGATE與主CPU的分工

　　XGATE負責響應RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍，并完成任務延時計數(shù)；在任務延時完成后，通知CPU進行任務調(diào)度。另外，XGATE還用來響應其他中斷，在需要任務調(diào)度時通知CPU。主CPU則只負責運行任務（包括系統(tǒng)任務）和任務調(diào)度，只有在需要任務調(diào)度時才會加載中斷服務子程序。使用XGATE來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍的具體設置步驟如下所述。

2.1? 將RTI中斷的控制權交給XGATE

　　為了將RTI中斷交由XGATE來處理，系統(tǒng)初始化時需要設置S12X單片機中RTI中斷對應的中斷控制寄存器。中斷控制寄存器組成如下：

　　在S12X單片機中，每一個I/O中斷都有一個中斷控制寄存器與之對應。中斷控制寄存器控制相應的中斷是由S12X CPU響應還是由XGATE來響應，以及該中斷的優(yōu)先級。

　　中斷控制寄存器中，RQST位為1時，中斷由XGATE來響應；為0時，中斷由S12X CPU響應。為了使用XGATE來響應RTI中斷，需要將RTI中斷對應的中斷控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL\[2∶0\]保存的是對應中斷的優(yōu)先級，值越大，對應中斷的優(yōu)先級越高。如果這3位均為0，那么對應中斷會被禁用。

　　設置中斷控制寄存器可以調(diào)用編譯器提供的一個函數(shù)ROUTE_INTERRUPT。這個函數(shù)需要的參數(shù)是對應中斷的中斷向量相對中斷向量表基址(0xFF00)的偏移量，以及中斷控制寄存器的值。設置RTI中斷控制寄存器的代碼如下：

　　ROUTE_INTERRUPT(0xF0, 0x81);

　　其中，0xF0是RTI中斷向量相對中斷向量表基址的偏移量，0x81是要設置的中斷控制寄存器的值。

2.2? XGATE與S12X CPU的數(shù)據(jù)共享

　　XGATE實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍和S12X CPU實現(xiàn)任務調(diào)度，都需要訪問與系統(tǒng)的任務控制塊鏈表相關的變量，因此這些變量需要聲明為XGATE和S12X CPU的共享變量。共享變量的聲明需要加上“volatile”類型聲明，并使用“#pragma”預處理命令將其放在共享內(nèi)存中。

　　S12X CPU的程序中聲明如下：

　　#pragma? DATA_SEG? SHARED_DATA
　　OS_TCBvolatile*OSTCBCur;//當前任務控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBFreeList;//當前空閑任務控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBHighRdy;//當前最高優(yōu)先級任務控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBList;//任務控制塊鏈表入口指針
　　#pragma? DATA_SEG? DEFAULT

　　在XGATE的程序中，需要使用extern聲明這些變量，具體語句如下：

　　#pragma? DATA_SEG? SHARED_DATA
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBCur;//當前任務控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBFreeList;//當前空閑任務控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBHighRdy;//當前最高優(yōu)先級任務控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBList;//任務控制塊鏈表入口指針
　　#pragma? DATA_SEG? DEFAULT

2.3? XGATE與S12X CPU的指針變量變換

　　因為XGATE的內(nèi)存空間編址與S12X CPU的內(nèi)存空間編址不一樣，所以在指針變量共享時會存在問題。CPU的內(nèi)存空間和XGATE的內(nèi)存空間的差別如圖1所示。

圖1? S12X CPU與XGATE的內(nèi)存空間分配對比

　　從圖1中可以看出，在S12X CPU的尋址空間中，0x1000～0x3FFF為RAM空間；而對XGATE來說，RAM空間的地址范圍為0x8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指針變量，則會導致XGATE訪問地址空間0x1000～0x3FFF，該區(qū)域對于XGATE是Flash，從而出錯。為了正確地共享指針變量，在XGATE中使用S12X CPU的指針變量時，需要對指針變量進行變換。S12X系列中不同單片機成員的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512單片機為例，其內(nèi)部共有8 KB非分頁RAM，可全都設為S12X CPU和XGATE的共享內(nèi)存。這8 KB RAM在S12X CPU中的地址為0x2000～0x3FFF；而在XGATE中的地址為0xE000～0xFFFF，地址偏差為0xC000。因此，在XGATE使用S12X CPU的指針變量時，將指針變量的值加偏移量0xC000，就可以在XGATE程序中正常使用。

　　下面是XGATE程序中一個指針變量變換的代碼：

　　LDW R2,(R1,#0)；R1中是指針變量的地址，將指針的值放到R2
　　ADDH R2,#＄C0；將R2增加0xC000
　　MOV R1,R2；將變換后的指針放到R1
　　LDB R3, (R1,#0)；通過變換后的指針訪問變量

　　在XGATE協(xié)處理器中有8個寄存器，編譯器使用其中的R1來傳遞參數(shù)，上面程序中的R2、R3是8個寄存器中的另外2個。

2.4? XGATE與S12X CPU的通信

　　XGATE處理RTI中斷時先完成指針變換，然后遍歷μC/OS-II的所有任務控制塊鏈表，對需要延時的任務進行延時計數(shù)器減1操作。若無需任務調(diào)度，則XGATE回到休眠態(tài)，直到響應下一次中斷。僅當某任務延時計數(shù)器遞減到零時，該任務進入就緒態(tài)，需要任務調(diào)度時才通知S12X CPU進行任務切換。

　　在XGATE的中斷服務子程序中，中斷標志指令SIF用于向S12X CPU發(fā)出中斷請求。該指令置位中斷標志位，請求S12X CPU繼續(xù)響應本次RTI中斷。在XGATE的中斷服務子程序中使用SIF指令的代碼如下（其中R5是協(xié)處理器XGATE的8個寄存器之一）：

　　CMP R5,#0 ；R5保存進入就緒態(tài)且優(yōu)先級比當前運行任務高的任務數(shù)目
　　BEQ OUT；如果R5為0，那么無需任務調(diào)度
　　SIF；如果R5不為0，那么需要通知S12XCPU進行任務調(diào)度
　　OUT: RTI；中斷子程序返回

　　由于遍歷任務控制塊鏈表和各任務延時計數(shù)器減1的操作，以及無需任務調(diào)度的RTI中斷響應都由XGATE完成了，S12X CPU只需要響應確實需要進行任務調(diào)度的RTI中斷，使其中斷服務子程序大大簡化：

　　void OSTickISR(void) {//S12X CPU時鐘節(jié)拍中斷服務
　　　　OSIntEnter();//中斷嵌套層數(shù)加1
　　　　XGIF0_XGIF_78 = 1;//清XGATE中斷
　　　　OS_SAVE_SP();//保存當前任務棧
　　　　OSIntExit();//中斷嵌套層數(shù)減1并進行任務調(diào)度
　　　　asm{ rti }//中斷返回
　　}

　　這樣，CPU的RTI中斷服務子程序所要執(zhí)行的代碼是固定的，每次的運行時間也是固定值，因而μC/OS-II的實時性得到了確切的保證。

　　S12X CPU和XGATE的程序流程如圖2所示。

圖2? S12X CPU和XGATE的程序流程

2.5? 設置XGATE向量表

　　為了使XGATE正常響應中斷，需要把XGATE的RTI中斷服務子程序地址寫到XGATE的中斷向量表中。XGATE的中斷向量表的寫法與CPU的中斷向量寫法類似，只是XGATE的中斷子程序可代入一個參數(shù)，需要將這個參數(shù)也寫入中斷向量表。

　　在XGATE中斷向量表的確定位置，寫入RTI中斷服務子程序地址和參數(shù)變量，就可以使XGATE在響應RTI中斷時進入RTI中斷服務子程序。

　　XGATE的中斷向量表的寫法如下：

　　constXGATE_TableEntry? XGATE_VectorTable[] = {/*通道0～8都是不能使用XGATE來響應的中斷，所以從通道9開始*/
　　{ErrorHandler, 0x09},//通道9，未使用
　　{ErrorHandler, 0x0A}, //通道10，未使用
　　…//其他通道，可以選擇使用
　　{RTI_Handler, (int)OSTCBList},//通道0x78，RTI中斷子程和參數(shù)，將控制塊鏈表作為參數(shù)
　　{ErrorHandler, 0x79},//通道0x79，IRQ中斷，未使用
　　};

　　其中，OSTCBList是XGATE響應RTI中斷時需要帶入的參數(shù)，這里這個參數(shù)是μC/OS-II任務控制塊鏈表的首地址；XGATE_TableEntry是一個編譯器自定義的結構體變量類型；XGATE_VectorTable[]是XGATE的中斷向量表。寫好XGATE的中斷向量表后，使用XGATE實現(xiàn)μC/OS-II時鐘節(jié)拍的設置過程就完成了。

3? 效果測試與分析

　　為了驗證用協(xié)處理器處理時鐘節(jié)拍中斷的效果，進行如下測試：在同一S12X單片機上，分別使用和不使用XGATE處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷。在兩種情況下，建立同樣的10個任務，時鐘節(jié)拍中斷服務子程序中同樣只進行任務控制塊鏈表遍歷和延時計數(shù)器減1，不做任務調(diào)度。這樣，μC/OS-II中會有一個任務總處于就緒態(tài)并一直運行，這個一直運行的任務會通過循環(huán)計數(shù)的方法在一個I/O端口上輸出一個方波。在同樣的總線時鐘和同樣頻率的時鐘節(jié)拍下，比較兩種μC/OS-II輸出的方波周期的差別。

　　測試的目的是，觀察μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷服務子程序的加載，對正在系統(tǒng)中運行的任務的影響。為了與XGATE處理任務控制塊鏈表遍歷和延時計數(shù)器減1進行對比，未使用XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的時鐘節(jié)拍中斷服務子程序只保留與XGATE同樣的操作。沒有任務調(diào)度，也方便對系統(tǒng)中正在運行的任務輸出的方波進行觀察。

　　在不使用的XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的RTI中斷的中斷服務子程序代碼如下：

　　interruptvoid? OSTickISR(void) {
　　　　OS_TCB ptcb;
　　　　OSIntEnter();//中斷嵌套層數(shù)加1
　　　　OS_SAVE_SP();//保存當前任務堆棧指針
　　　　CRGFLG |= 0x80;//清RTI中斷標志位
　　　　ptcb = OSTCBList; //獲得中斷控制塊鏈表的表頭指針
　　　　while (ptcb>OSTCBPrio != OS_IDLE_PRIO) {//遍歷所有的任務控制塊
　　　　　　OS_ENTER_CRITICAL();//進入臨界段代碼
　　　　　　if (ptcb>OSTCBDly != 0) { //對延時計數(shù)器非零的任務延時計數(shù)器減1ptcb>OSTCBDly;
　　　　　　}ptcb = ptcb>OSTCBNext; //指向下一個任務控制塊
　　　　　　OS_EXIT_CRITICAL();//離開臨界段代碼
　　　　}
　　　　OSIntExit();//中斷嵌套層數(shù)減1，必要時做任務調(diào)度
　　}

　　以上S12X CPU中斷服務子程序共有220條指令，需運行538個周期。測試中采用了16 MHz的總線時鐘和16 kHz的μC/OS-II時鐘節(jié)拍?？梢怨浪愠?，每次中斷服務子程序在S12X CPU中的運行時間為33.6? μs，約相當于62.5 μs時鐘節(jié)拍的53%，即S12X CPU需要用一多半的時間響應時鐘節(jié)拍中斷，這顯然是不可取的。

　　在μC/OS-II中用XGATE處理時鐘節(jié)拍中斷時，當無需做任務調(diào)度時，XGATE遍歷10個任務的控制塊鏈表，執(zhí)行延時計數(shù)器減1操作，共需要148條指令。由于XGATE是RISC結構的處理器，指令執(zhí)行時間多為1～2個周期，故執(zhí)行148條指令共需要218個周期。在32 MHz時鐘頻率下，執(zhí)行時間大約7 μs，僅相當于62.5 μs時鐘節(jié)拍的11％。這說明，即使使用短至62.5 μs的時鐘節(jié)拍，對XGATE的占用率也并不高。

　　通過以上測試可看出，由單一CPU運行μC/OS-II，16 kHz的時鐘節(jié)拍導致S12X CPU頻繁地加載中斷服務子程序，占用超過了50%，嚴重地影響了任務的實時運行。故對于單一CPU，一般采用的時鐘節(jié)拍頻率不高于100 Hz，此時計時精度為±10 ms，以避免時鐘節(jié)拍中斷占用大量CPU運行時間。

　　在用XGATE處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍時，16 kHz的時鐘節(jié)拍并未對S12X CPU的任務運行產(chǎn)生影響，這個頻率的時鐘節(jié)拍使μC/OS-II的定時精度高于±62.5 μs。利用協(xié)處理器XGATE來處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍，使主 CPU的執(zhí)行時間為固定值，因而保證了任務的實時運行，提升了系統(tǒng)實時性，高頻率的時鐘節(jié)拍也提高了計時精度。

4? 結論

　　μC/OS-II中，時鐘節(jié)拍中斷服務子程序需要遍歷整個任務控制塊鏈表，不同應用中任務數(shù)目不同，遍歷整個任務控制塊鏈表所花費的時間就不同。時鐘節(jié)拍中斷所帶來的不確定性是影響μC/OS-II實時性指標的唯一因素。采用協(xié)處理器來實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍可以很好地解決這個問題。

　　如果使用協(xié)處理器來響應μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷，那么μC/OS-II任務控制塊鏈表的遍歷和延時計數(shù)器減1操作均由協(xié)處理器完成。主CPU只有在需要做任務調(diào)度時才會進入相應的中斷服務子程序，因此主CPU運行中斷服務子程序的時間是固定值。由于主 CPU的運行時間不會被時鐘節(jié)拍中斷占用，因而可以采用很高頻率的時鐘節(jié)拍來提高μC/OS-II的計時精度。