基于單片機的實時多任務操作系統(tǒng)

引 言

1 在MSP430上使用RTOS的意義

　　一般的觀點認為，MSP430上使用RTOS是沒有意義的這是可以理解的。因為MSP430的硬件資源有限(以MSP430F149為例，只有2KB RAM),任何商業(yè)操作系統(tǒng)都不可能移植到MSP430上。目前在MSP430上得到應用的RTOS，只有μC/OS-II，但使用μC/OS-II 必須有昂貴的C編譯器，這嚴重地限制了其在MSP430上的使用。

　　正是基于以上情況，筆者在應用MSP430過程中，編寫了一個基于MSP430F149的RTOS，暫定名為M430/OS。它占用RAM量少、代碼短小，稍加改動就可適用于大多數(shù)其它MSP430單片機。

　　在MSP430單片機系統(tǒng)上使用M430/OS，對系統(tǒng)有以下意義：

　?、?實現(xiàn)軟件設計的模塊化。可將不同的功能模塊編制成相應的任務，由操作系統(tǒng)按級別調用，不必為先執(zhí)行哪個功能、后執(zhí)行哪個功能而費神。

　?、?能更合理、有效地利用CPU有限的資源。按任務的重要程度安排任務的級別，能夠保證最重要的任務得以最及時執(zhí)行。

　?、?大大降低系統(tǒng)故障率。低優(yōu)先級的任務發(fā)生阻塞時，高優(yōu)先級任務的執(zhí)行不受影響。

2 M430/OS在MSP430F149上的實現(xiàn)

2.1 M430/OS功能特點

　　M430/OS有以下特點：

　?、?采用占先式內核，即高優(yōu)先級的任務可以從低優(yōu)先級任務“搶”回CPU控制權；

　?、?每個任務都單獨開辟一個任務棧；

　　③ 每個任務占十幾到幾百字節(jié)的任務堆棧，任務棧的大小可以根據(jù)任務中現(xiàn)場數(shù)據(jù)、局部變量和嵌套調用的情況估算；

　?、?每個任務各分配一個優(yōu)先級,不支持兩個任務有相同的優(yōu)先級；

　?、?不支持信號量、郵箱功能；

　?、?任務狀態(tài)只有三種：運行(executing)、就緒(ready)、掛起(suspended)；

　?、?系統(tǒng)占用RAM量=（（任務個數(shù)+1）×4）+6字節(jié)，不包括任務堆棧；

　?、?代碼量少，目前版本的代碼共有86行匯編代碼，256字節(jié)目標代碼；

　?、?理論上最多支持126個任務；

　?、?任務鎖定功能：在一段低優(yōu)先級的代碼中，不想讓操作系統(tǒng)把CPU權切換到別的任務，這時可以把這代碼鎖定，在運行這段代碼時，就不會引起任務切換；

　　任務喚醒功能：在一個任務中產(chǎn)生一個的事件來觸發(fā)其它任務運行（如果被觸發(fā)的任務優(yōu)先級高的話，就會馬上運行）。

2.2 系統(tǒng)函數(shù)介紹

　?、?OS_Init：多任務初始化，進行任務棧（任務棧的結構見圖1）、任務延時計數(shù)、任務狀態(tài)的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)直接切換到最高優(yōu)先級的任務，多任務系統(tǒng)啟動。

　?、?OS_Time_Dly：把當前任務掛起一段指定時間讓其它任務運行。

　?、?OS_Sched：任務調度，它先把每個任務的延時數(shù)減1，然后再找出最高優(yōu)先級的就緒任務，并切換到這個就緒任務。如果無就緒任務，就切換到空閑任務。

　?、?OS_Free_Task：空閑任務，是一個很重要的系統(tǒng)任務，當所有任務都掛起時，運行此任務。它主要是對一個計數(shù)器Free_Count一直進行累加，用戶可以根據(jù)這個計數(shù)器計算出CPU的利用率。

　?、?OS_Task_Lock：鎖定任務調度，禁止任務調度。主要用來鎖定在低優(yōu)先級中的一些可重入的代碼或一些重要代碼。

　?、?OS_Task_Unlock：解鎖任務調度，和上面的子程序功能相反。

　?、?OS_Task_Wakeup：喚醒指定優(yōu)先級的任務，并產(chǎn)生一次任務調度，如果被喚醒任務的優(yōu)先級比當前運行的任務的優(yōu)先級高，任務就會切換到被喚醒的任務中，否則等待下一個調度時機。

2.3 主要功能的實現(xiàn)

（1）任務初始化

　　系統(tǒng)加電運行后，首先對硬件資源進行初始化，接著就要對多任務進行初始化了。主要是初始化每個任務的任務棧、每個任務的時鐘滴答數(shù)和堆棧指針位置。我們把每個任務棧都初始化成圖1形式。

　　任務棧的初始化如下程序（r11是用來初始任務堆棧的一個指針，r10是一個循環(huán)計數(shù)器）：

mov.w #(棧底 + 2) , r11

clr.w Task_Tick(r10) ;清0時鐘滴答數(shù)

mov.w #任務首地址 , 0(r11) ;把任務地址壓入堆棧

mov.w SR , -2(r11) ;把標志寄存器放入任務棧

mov.w r11 , Task_SP(r10)

sub.w #現(xiàn)場所占的字節(jié)數(shù) , Task_SP(r10) ;SP位置放

;入堆棧

　　初始化完任務棧之后，就把堆棧指針指向最高任務優(yōu)先級任務棧的任務首地址處，再執(zhí)行ret返回。這樣，多任務就啟動開了，程序如下：

mov.w #09feh , sp ;最高優(yōu)先級的任務棧任務首地

;址位置

ret ;返回到最高優(yōu)先級的任務

任務初始化的流程如圖2所示。

（2）時鐘節(jié)拍

　　時鐘節(jié)拍由MSP430F149的TimerA產(chǎn)生。TimerA工作于上升模式，CCR0中是TimerA計數(shù)最大值。TimerA初始化代碼如下：

bis.w #(TASSEL1+TACLR+MC_1),TACTL

mov.w 2(sp),CCR0 ;計數(shù)最大值，此值決定時鐘節(jié)拍

bis.w #CCIE,CCTL0

（3）任務調度

　　應用程序調用OS_init進行初始化后，直接切換到最高優(yōu)先級的任務。

　　每個任務在運行一個循環(huán)后執(zhí)行OS_ Time_Dly掛起。這是通過把該任務的延時數(shù)填到該任務的Task_ Tick中，然后再執(zhí)行任務調度程序實現(xiàn)。

任務調度就是在定時中斷時對所有任務的Task_ Tick減1，然后再按優(yōu)先級高低的順序查找Task_Tick減到0的任務，并直接跳到任務切換程序。

下面是任務切換程序（r10的內容是就緒任務的標志，由調度程序找出）：

pushALL ;把當前任務現(xiàn)場入棧

mov.b Now_Task,r11 ;當前任務標志放r11

mov.w sp,Task_SP(r11) ;保存當前任務堆棧指針

mov.b r10,Now_Task ;就緒任務標志變?yōu)楫斍叭蝿諛酥?/P>

mov.w Task_SP(r10),sp ;就緒任務的任務棧指針放入SP

;此時再進行堆棧操作就是對就緒任務的任務棧操作了。

popALL ;把就緒任務的現(xiàn)場出棧

reti ;中斷返回，返回到就緒任務

　　任務調度的調度時機有兩種：一種是在任務掛起時，一種是定時中斷。任務掛起時的任務調度一定會引起任務切換，定時中斷就不一定引起任務切換了。因為，如果就緒任務是當前正在運行的任務時不會引起切換。正是如此，任務調度是RTOS中執(zhí)行得最頻繁的一個功能，也是最重要的一個功能，所以必須盡量縮減其代碼量，盡量用可靠的調度算法來減少任務調度所占的時間。這個子程序的流程如圖3所示。

（4）任務鎖和其它功能的實現(xiàn)

　　任務的加鎖與解鎖，是為了使一些在低優(yōu)先級任務的不可重入代碼，或對實時性要求較高的I/O操作在執(zhí)行中不產(chǎn)生任務切換。這項功能是通過設置一個標志位實現(xiàn)的。當調度程序檢查到任務被鎖定時，就算有就緒任務也必須等開鎖之后才能切換。

如果系統(tǒng)突然產(chǎn)生一個事件要某個掛起的任務來處理，可以在事件產(chǎn)生的程序中調用任務喚醒。它的原理是把Task_Tick清0，然后執(zhí)行一次任務調度。如果這個任務優(yōu)先級較高，就直接切換到這個任務里執(zhí)行。

3 總 結

　　M430/OS已在筆者開發(fā)的基于MSP430F149的系統(tǒng)上應用，運行穩(wěn)定可靠。該操作系統(tǒng)稍加改動，就可應用于其它MSP430單片機。當然，它的功能還是很有限的，也可能還存在一些尚未暴露的問題；但無論如何，它向我們證明，在MSP430單片機系統(tǒng)中使用RTOS是完全可能的。