基于AVR單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用分析

引言

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)人們的生活產(chǎn)生了很大的影響，并將逐漸改變?nèi)藗兾磥?lái)的生活方式，在特定的操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序，可以使開發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序調(diào)試更方便、易于維護(hù)、開發(fā)周期縮短并且降低開發(fā)成本，因而嵌入式操作系統(tǒng)深得開發(fā)人員的青睞。

　　AVR微處理器是Atmel公司開發(fā)的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，而且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立編址，并具有獨(dú)立訪問(wèn)的哈佛結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)內(nèi)核有豐富的指令集，通過(guò)32個(gè)通用寄存器直接與邏輯運(yùn)算單元相連接，允許在一個(gè)周期內(nèi)一條單一指令訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，這樣的結(jié)構(gòu)使代碼的執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集微處理器快了將近10倍。

　　AVRX是由1barello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，它專門針對(duì)AVR系列單片機(jī)的RTOS，具有免費(fèi)和可以修改的特點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是由于做為一種專用的操作系統(tǒng)很難移植到其他平臺(tái)上。

1 AVRX 系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點(diǎn)：

◆ 完全支持占先式、優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)調(diào)度算法；

◆ 16個(gè)優(yōu)先級(jí)，相同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用Round robin調(diào)度算法輪流執(zhí)行；

◆ 信號(hào)量可以用于信號(hào)傳遞、同步和互斥信號(hào)量，支持阻塞和非阻塞語(yǔ)法；

◆ 任務(wù)之間可以用消息隊(duì)列相互傳遞信息，接收和確認(rèn)消息可以用阻塞和非阻塞調(diào)用；

◆ 在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務(wù)程序可以使用；

◆ 支持單個(gè)定時(shí)器的時(shí)間隊(duì)列管理，任何進(jìn)程都可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，并且任何一個(gè)任務(wù)都可以等待定時(shí)器時(shí)間到；

◆ 支持單步調(diào)式運(yùn)行著的進(jìn)程；

◆ 程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節(jié)；

◆ 與定時(shí)器/計(jì)算器有關(guān)的一些事務(wù)可以用AVRX寫成任務(wù)級(jí)代碼。

1.1 任務(wù)

　　AVRX2.6為了支持C語(yǔ)言，保存了所有的32個(gè)寄存器，最小的上下文是32個(gè)寄存器、SREG和PC，總共35個(gè)字節(jié)。AvrXInitTask（）函數(shù)給所有的寄存器初始化為0x00；只有進(jìn)程上下文保存在任務(wù)堆棧中，所有其他的使用（包括內(nèi)核和中斷）保存在內(nèi)核堆棧。這樣降低了第一個(gè)中斷的上下文切換和進(jìn)入內(nèi)核API的SRAM消耗。隨后的中斷（如果允許中斷嵌套）嵌入內(nèi)核堆棧，API不進(jìn)行上下文切換。

1.2 信號(hào)量

　　信號(hào)量是SRAM指針，它們有三中狀態(tài)：PEND、WAITING和DONE。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被一個(gè)信號(hào)量阻塞時(shí)，它處于WAITING狀態(tài)，多個(gè)任務(wù)可以排隊(duì)等候一個(gè)信號(hào)量。在后一種情況下，信號(hào)量可以看作互斥信號(hào)量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntSetSemaphore、AvrXWaitSemaphore、AvrXtestSemaphore、AvrXIntTestSemaphore和AvrXResetSemaphore。

1.3 定時(shí)器

　　定時(shí)器控制塊（TCB）長(zhǎng)度為4（或6）個(gè)字節(jié)。它們管理一個(gè)16位計(jì)數(shù)值。定時(shí)器隊(duì)列管理器管理一個(gè)分類的定時(shí)器隊(duì)列，每個(gè)都調(diào)整為所有計(jì)數(shù)器的和到其延時(shí)需要的值。提供的API函數(shù)如下：AvrXStartTimer、AvrXTimerHandler、AvrXCancelTimer、AvrXWaitTimer、AvrXTestTimer和AvrXDelay。

1.4 消息隊(duì)列

　　消息隊(duì)列用消息控制塊（MCB）做為隊(duì)列首地址。任何進(jìn)程、中斷處理函數(shù)和多個(gè)進(jìn)程都可以等待消息。MCB的長(zhǎng)度是2或4個(gè)字節(jié)。消息可以認(rèn)為是靈活性更大的信號(hào)量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMessage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWaitMessageAck。

1.5 單步運(yùn)行支持

　　通過(guò)重新匯編內(nèi)核AVRX，可以允許和禁止單步運(yùn)行的支持。單步運(yùn)行可以通過(guò)編譯內(nèi)核庫(kù)時(shí)定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。

　　在能夠單步運(yùn)行以前，進(jìn)程必須先暫停。有兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是僅僅初始化進(jìn)程但不使能；二是用目標(biāo)進(jìn)程的ID調(diào)用AvrXSuspend，一旦目標(biāo)進(jìn)程掛起，調(diào)試SPI就能使用了，提供的API函數(shù)有：AvrXStepNext和AvrXSingleStepNext。

1.6 系統(tǒng)對(duì)象

　　AVRX是圍繞系統(tǒng)對(duì)象的概念而構(gòu)建的，系統(tǒng)對(duì)象包括一個(gè)鏈接和其后面的0個(gè)或者若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信號(hào)量。進(jìn)程對(duì)象可以根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列和信號(hào)量排隊(duì)。計(jì)數(shù)器控制塊只能根據(jù)計(jì)數(shù)器隊(duì)列排隊(duì)。消息控制塊只能在消息隊(duì)列排隊(duì)。進(jìn)程根據(jù)嵌入對(duì)象的信號(hào)量等待這些對(duì)象。

　　進(jìn)程堆棧中可用的SRAM是限制系統(tǒng)規(guī)模的主要因素，每個(gè)進(jìn)程都需要至少10～35字節(jié)的空間來(lái)存儲(chǔ)進(jìn)程上下文。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetObjectSamaphore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObjectSamaphore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSamaphore和AvrXIntTestObjectSamaphore。

1.7 系統(tǒng)堆棧

　　AVRX需要足夠大的堆棧來(lái)處理所有可能的中斷嵌套，每次進(jìn)入內(nèi)核將會(huì)把10～35字節(jié)壓進(jìn)堆棧（標(biāo)準(zhǔn)上下文和返回地址），中斷處理可能壓進(jìn)去更多。AVRX的API會(huì)臨時(shí)壓入2個(gè)以上的字節(jié)。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內(nèi)是設(shè)計(jì)者的工作。

2 AVRX系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 AVRX在不同型號(hào)AVR單片機(jī)上的移植

　　下面以ATmega16為例，介紹移植工作。

（1）編譯器的選擇

　　由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR－GCC編譯器下編寫的，所以選用AVR－GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機(jī)上的移植特性。

（2）重新編譯AVRX內(nèi)核

　　為了將應(yīng)用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內(nèi)核，重新編譯包括下述步驟。

　?、僦匦滦薷腁VRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：