建立一個(gè)屬于自己的AVR的RTOS

自從03年以來(lái)，對(duì)單片機(jī)的RTOS的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的熱潮可謂一浪高過(guò)一浪.03年，在離開(kāi)校園前的，非典的那幾個(gè)月，在華師的后門那里買了本邵貝貝的《UCOSII》，通讀了幾次，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)器材，也不了了之。

在21IC上，大家都可以看到楊屹寫的關(guān)于UCOSII在51上的移植，于是掀起了51上的RTOS的熱潮。

再后來(lái)，陳明計(jì)先生推出的smallrots，展示了一個(gè)用在51上的微內(nèi)核，足以在52上進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

前段時(shí)間，在ouravr上面開(kāi)有專門關(guān)于AVR的Rtos的專欄，并且不少的兄弟把自己的作品拿出來(lái)，著實(shí)開(kāi)了不少眼界。這時(shí)，我重新回顧了使用單片機(jī)的經(jīng)歷，覺(jué)得很有必要，從根本上對(duì)單片機(jī)的RTOS的知識(shí)進(jìn)行整理，于是，我開(kāi)始了編寫一個(gè)用在AVR單片機(jī)的RTOS。

當(dāng)時(shí)，我所有的知識(shí)和資源有：

Proteus6.7可以用來(lái)模擬仿真avr系列的單片機(jī)
WinAVRv2.0.5.48基于GCCAVR的編譯環(huán)境，好處在于可以在C語(yǔ)言中插入asm的語(yǔ)句
mega81K的ram有8K的rom,是開(kāi)發(fā)8位的RTOS的一個(gè)理想的器件，并且我對(duì)它也比較熟悉。

寫UCOS的JeanJ.Labrosse在他的書上有這樣一句話，“漸漸地，我自然會(huì)想到，寫個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核直有那么難嗎？不就是不斷地保存，恢復(fù)CPU的那些寄存器嘛。”

好了，當(dāng)這一切準(zhǔn)備好后，我們就可以開(kāi)始我們的Rtosformega8的實(shí)驗(yàn)之旅了。

本文列出的例子，全部完整可用。只需要一個(gè)文件就可以編譯了。我相信，只要適當(dāng)可用，最簡(jiǎn)單的就是最好的，這樣可以排除一些不必要的干擾，讓大家專注到每一個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí)。

第一篇：函數(shù)的運(yùn)行

在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中，是以前后臺(tái)的方式(大循環(huán)+中斷)來(lái)處理數(shù)據(jù)和作出反應(yīng)的。
例子如下:

makefile的設(shè)定:運(yùn)行WinAvr中的Mfile，設(shè)定如下
MCUType:mega8
Optimizationlevel:s
Debugformat:AVR-COFF
C/C++sourcefile:選譯要編譯的C文件

#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}

intmain(void)
{
fun1();
}

首先，提出一個(gè)問(wèn)題：如果要調(diào)用一個(gè)函數(shù)，真是只能以上面的方式進(jìn)行嗎？
相信學(xué)習(xí)過(guò)C語(yǔ)言的各位會(huì)回答，No!我們還有一種方式，就是“用函數(shù)指針變量調(diào)用函數(shù)”，如果大家都和我一樣，當(dāng)初的教科書是譚浩強(qiáng)先生的《C程序設(shè)計(jì)》的話，請(qǐng)找回書的第9.5節(jié)。

例子：用函數(shù)指針變量調(diào)用函數(shù)


#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}
void(*pfun)();//指向函數(shù)的指針

intmain(void)
{

pfun=fun1;//
(*pfun)();//運(yùn)行指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)
}

第二種，是“把指向函數(shù)的指針變量作函數(shù)參數(shù)”

#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}

voidRunFun(void(*pfun)())//獲得了要傳遞的函數(shù)的地址
{
(*pfun)();//在RunFun中，運(yùn)行指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)
}

intmain(void)
{
RunFun(fun1);//將函數(shù)的指針作為變量傳遞

}

看到上面的兩種方式，很多人可能會(huì)說(shuō)，“這的確不錯(cuò)”，但是這樣與我們想要的RTOS，有什么關(guān)系呢？各位請(qǐng)細(xì)心向下看。

以下是GCC對(duì)上面的代碼的編譯的情況：

對(duì)main()中的RunFun(fun1);的編譯如下
ldir24,lo8(pm(fun1))
ldir25,hi8(pm(fun1))
rcallRunFun

對(duì)voidRunFun(void(*pfun)())的編譯如下
/*voidRunFun(void(*pfun)())*/
/*(*pfun)();*/
.LM6:
movwr30,r24
icall
ret

在調(diào)用voidRunFun(void(*pfun)())的時(shí)候，的確可以把fun1的地址通過(guò)r24和r25傳遞給RunFun()。但是，RTOS如何才能有效地利用函數(shù)的地址呢？

第二篇：人工堆棧

在單片機(jī)的指令集中，一類指令是專門與堆棧和PC指針打道的，它們是
rcall相對(duì)調(diào)用子程序指令
icall間接調(diào)用子程序指令
ret子程序返回指令
reti中斷返回指令

對(duì)于ret和reti，它們都可以將堆棧棧頂?shù)膬蓚€(gè)字節(jié)被彈出來(lái)送入程序計(jì)數(shù)器PC中，一般用來(lái)從子程序或中斷中退出。其中reti還可以在退出中斷時(shí)，重開(kāi)全局中斷使能。
有了這個(gè)基礎(chǔ)，就可以建立我們的人工堆棧了。
例：
#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}

unsignedcharStack[100];//建立一個(gè)100字節(jié)的人工堆棧

voidRunFunInNewStack(void(*pfun)(),unsignedchar*pStack)
{
*pStack--=(unsignedint)pfun>>8;//將函數(shù)的地址高位壓入堆棧，
*pStack--=(unsignedint)pfun;//將函數(shù)的地址低位壓入堆棧，
SP=pStack;//將堆棧指針指向人工堆棧的棧頂
__asm____volatile__(RETnt);//返回并開(kāi)中斷,開(kāi)始運(yùn)行fun1()

}

intmain(void)
{
RunFunInNewStack(fun1,Stack[99]);
}
RunFunInNewStack(),將指向函數(shù)的指針的值保存到一個(gè)unsignedchar的數(shù)組Stack中，作為人工堆棧。并且將棧頂?shù)臄?shù)值傳遞組堆棧指針SP,因此當(dāng)用ret返回時(shí)，從SP中恢復(fù)到PC中的值，就變?yōu)榱酥赶騠un1()的地址，開(kāi)始運(yùn)行fun1().

上面例子中在RunFunInNewStack()的最后一句嵌入了匯編代碼ret,實(shí)際上是可以去除的。因?yàn)樵赗unFunInNewStack()返回時(shí)，編譯器已經(jīng)會(huì)加上ret。我特意寫出來(lái)，是為了讓大家看到用ret作為返回后運(yùn)行fun1()的過(guò)程。

第三篇：GCC中對(duì)寄存器的分配與使用

在很多用于AVR的RTOS中，都會(huì)有任務(wù)調(diào)度時(shí)，插入以下的語(yǔ)句：

入棧：
__asm____volatile__(PUSHR0nt);
__asm____volatile__(PUSHR1nt);
......
__asm____volatile__(PUSHR31nt);

出棧
__asm____volatile__(POPR31nt);
......
__asm____volatile__(POPR1nt);
__asm____volatile__(POPR0nt);

通常大家都會(huì)認(rèn)為，在任務(wù)調(diào)度開(kāi)始時(shí)，當(dāng)然要將所有的通用寄存器都保存，并且還應(yīng)該保存程序狀態(tài)寄存器SREG。然后再根據(jù)相反的次序，將新任務(wù)的寄存器的內(nèi)容恢復(fù)。

但是，事實(shí)真的是這樣嗎？如果大家看過(guò)陳明計(jì)先生寫的smallrots51,就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它所保存的通用寄存器不過(guò)是4組通用寄存器中的1組。

在WinAVR中的幫助文件avr-libcManual中的RelatedPages中的FrequentlyAskedQuestions,其實(shí)有一個(gè)問(wèn)題是WhatregistersareusedbytheCcompiler?回答了編譯器所需要占用的寄存器。一般情況下，編譯器會(huì)先用到以下寄存器
1Call-usedregisters(r18-r27,r30-r31):調(diào)用函數(shù)時(shí)作為參數(shù)傳遞，也就是用得最多的寄存器。

2Call-savedregisters(r2-r17,r28-r29):調(diào)用函數(shù)時(shí)作為結(jié)果傳遞,當(dāng)中的r28和r29可能會(huì)被作為指向堆棧上的變量的指針。

3Fixedregisters(r0,r1):固定作用。r0用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，r1用于存放0。


還有另一個(gè)問(wèn)題是Howtopermanentlybindavariabletoaregister?,是將變量綁定到通用寄存器的方法。而且我發(fā)現(xiàn)，如果將某個(gè)寄存器定義為變量，編譯器就會(huì)不將該寄存器分配作其它用途。這對(duì)RTOS是很重要的。

在InlineAsm中的CNamesUsedinAssemblerCode明確表示,如果將太多的通用寄存器定義為變量，剛在編譯的過(guò)程中，被定義的變量依然可能被編譯器占用。

大家可以比較以下兩個(gè)例子，看看編譯器產(chǎn)生的代碼：(在*.lst文件中)

第一個(gè)例子：沒(méi)有定義通用寄存器為變量

#includeavr/io.h>

unsignedcharadd(unsignedcharb,unsignedcharc,unsignedchard)
{
returnb+c*d;
}

intmain(void)
{
unsignedchara=0;
while(1)
{
a++;
PORTB=add(a,a,a);
}
}

在本例中，add(a,a,a);被編譯如下:
movr20,r28
movr22,r28
movr24,r28
rcalladd

第二個(gè)例子：定義通用寄存器為變量

#includeavr/io.h>

unsignedcharadd(unsignedcharb,unsignedcharc,unsignedchard)
{
returnb+c*d;
}


registerunsignedcharaasm(r20);//將r20定義為變量a

intmain(void)
{

while(1)
{
a++;
PORTB=add(a,a,a);
}
}

在本例中，add(a,a,a);被編譯如下:
movr22,r20
movr24,r20
rcalladd

當(dāng)然，在上面兩個(gè)例子中，有部份代碼被編譯器優(yōu)化了。

通過(guò)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)編譯器一般使用如下寄存器:
第1類寄存器，第2類寄存器的r28,r29,第3類寄存器

如在中斷函數(shù)中有調(diào)用基它函數(shù)，剛會(huì)在進(jìn)入中斷后，固定地將第1類寄存器和第3類寄存器入棧，在退出中斷又將它們出棧。

第四篇：只有延時(shí)服務(wù)的協(xié)作式的內(nèi)核

CooperativeMultitasking

前后臺(tái)系統(tǒng)，協(xié)作式內(nèi)核系統(tǒng)，與占先式內(nèi)核系統(tǒng)，有什么不同呢？

記得在21IC上看過(guò)這樣的比喻,“你(小工)在用廁所，經(jīng)理在外面排第一，老板在外面排第二。如果是前后臺(tái)，不管是誰(shuí)，都必須按排隊(duì)的次序使用廁所；如果是協(xié)作式，那么可以等你用完廁所，老板就要比經(jīng)理先進(jìn)入；如果是占先式，只要有更高級(jí)的人在外面等，那么廁所里無(wú)論是誰(shuí)，都要第一時(shí)間讓出來(lái)，讓最高級(jí)別的人先用。”


#includeavr/io.h>
#includeavr/Interrupt.h>
#includeavr/signal.h>
unsignedcharStack[200];

registerunsignedcharOSRdyTblasm(r2);//任務(wù)運(yùn)行就緒表
registerunsignedcharOSTaskRunningPrioasm(r3);//正在運(yùn)行的任務(wù)

#defineOS_TASKS3//設(shè)定運(yùn)行任務(wù)的數(shù)量
structTaskCtrBlock//任務(wù)控制塊
{
unsignedintOSTaskStackTop;//保存任務(wù)的堆棧頂