在51系列单片机上移植uCOS.docx

资源描述

在51系列单片机上移植uCOS.docx

《在51系列单片机上移植uCOS.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《在51系列单片机上移植uCOS.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

在51系列单片机上移植uCOS.docx

在51系列单片机上移植uCOS

在51系列单片机上移植uCOS-II

内容摘要：

本文详细系统地介绍了uC/OS-II在51单片机上的移植、重入实现方法、硬件仿真、固化、人机界面等关键内容。

关键词：

嵌入式实时多任务操作系统、uC/OS-II、C51

引言：

随着各种应用电子系统的复杂化和系统实时性需求的提高，并伴随应用软件朝着系统化方向发展的加速，在16位/32位单片机中广泛使用了嵌入式实时操作系统。

然而实际使用中却存在着大量8位单片机，从经济性考虑，对某些应用场合，在8位MCU上使用操作系统是可行的。

从学习操作系统角度，uC/OS-IIfor51即简单又全面，学习成本低廉，值得推广。

结语：

μC/OS-II具有免费、简单、可靠性高、实时性好等优点，但也有缺乏便利开发环境等缺点，尤其不像商用嵌入式系统那样得到广泛使用和持续的研究更新。

但开放性又使得开发人员可以自行裁减和添加所需的功能，在许多应用领域发挥着独特的作用。

当然，是否在单片机系统中嵌入μC/OS-II应视所开发的项目而定，对于一些简单的、低成本的项目来说，就没必要使用嵌入式操作系统了。

uC/OS-II原理：

uCOSII包括任务调度、时间管理、内存管理、资源管理（信号量、邮箱、消息队列）四大部分，没有文件系统、网络接口、输入输出界面。

它的移植只与4个文件相关：

汇编文件（OS_CPU_A.ASM）、处理器相关C文件（OS_CPU.H、OS_CPU_C.C）和配置文件（OS_CFG.H）。

有64个优先级，系统占用8个，用户可创建56个任务，不支持时间片轮转。

它的基本思路就是“近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态”。

为了保证这一点，它在调用系统API函数、中断结束、定时中断结束时总是执行调度算法。

原作者通过事先计算好数据，简化了运算量，通过精心设计就绪表结构，使得延时可预知。

任务的切换是通过模拟一次中断实现的。

uCOSII工作核心原理是：

近似地让最高优先级的就绪任务处于运行状态。

操作系统将在下面情况中进行任务调度：

调用API函数（用户主动调用），中断（系统占用的时间片中断OsTimeTick（）,用户使用的中断）。

调度算法书上讲得很清楚，我主要讲一下整体思路。

（1）在调用API函数时，有可能引起阻塞,如果系统API函数察觉到运行条件不满足，需要切换就调用OSSched（）调度函数，这个过程是系统自动完成的，用户没有参与。

OSSched（）判断是否切换，如果需要切换，则此函数调用OS_TASK_SW（）。

这个函数模拟一次中断（在51里没有软中断，我用子程序调用模拟，效果相同），好象程序被中断打断了，其实是OS故意制造的假象，目的是为了任务切换。

既然是中断，那么返回地址（即紧邻OS_TASK_SW（）的下一条汇编指令的PC地址）就被自动压入堆栈，接着在中断程序里保存CPU寄存器（PUSHALL）……。

堆栈结构不是任意的，而是严格按照uCOSII规范处理。

OS每次切换都会保存和恢复全部现场信息（POPALL），然后用RETI回到任务断点继续执行。

这个断点就是OSSched（）函数里的紧邻OS_TASK_SW（）的下一条汇编指令的PC地址。

切换的整个过程就是，用户任务程序调用系统API函数，API调用OSSched（），OSSched（）调用软中断OS_TASK_SW（）即OSCtxSw，返回地址（PC值）压栈，进入OSCtxSw中断处理子程序内部。

反之，切换程序调用RETI返回紧邻OS_TASK_SW（）的下一条汇编指令的PC地址，进而返回OSSched（）下一句，再返回API下一句，即用户程序断点。

因此，如果任务从运行到就绪再到运行，它是从调度前的断点处运行。

（2）中断会引发条件变化，在退出前必须进行任务调度。

uCOSII要求中断的堆栈结构符合规范，以便正确协调中断退出和任务切换。

前面已经说到任务切换实际是模拟一次中断事件，而在真正的中断里省去了模拟（本身就是中断嘛）。

只要规定中断堆栈结构和uCOSII模拟的堆栈结构一样，就能保证在中断里进行正确的切换。

任务切换发生在中断退出前，此时还没有返回中断断点。

仔细观察中断程序和切换程序最后两句，它们是一模一样的，POPALL+RETI。

即要么直接从中断程序退出，返回断点；要么先保存现场到TCB，等到恢复现场时再从切换函数返回原来的中断断点（由于中断和切换函数遵循共同的堆栈结构，所以退出操作相同，效果也相同）。

用户编写的中断子程序必须按照uCOSII规范书写。

任务调度发生在中断退出前，是非常及时的，不会等到下一时间片才处理。

OSIntCtxSw（）函数对堆栈指针做了简单调整，以保证所有挂起任务的栈结构看起来是一样的。

（3）在uCOSII里，任务必须写成两种形式之一（《uCOSII中文版》p99页）。

在有些RTOS开发环境里没有要求显式调用OSTaskDel（），这是因为开发环境自动做了处理，实际原理都是一样的。

uCOSII的开发依赖于编译器，目前没有专用开发环境，所以出现这些不便之处是可以理解的。

移植过程：

（1）拷贝书后附赠光盘sourcecode目录下的内容到C:

\YY下，删除不必要的文件和EX1L.C，只剩下p187（《uCOSII》）上列出的文件。

（2）改写最简单的OS_CPU.H

数据类型的设定见C51.PDF第176页。

注意BOOLEAN要定义成unsignedchar类型，因为bit类型为C51特有，不能用在结构体里。

EA=0关中断；EA=1开中断。

这样定义即减少了程序行数，又避免了退出临界区后关中断造成的死机。

MCS-51堆栈从下往上增长（1=向下，0=向上），OS_STK_GROWTH定义为0

#defineOS_TASK_SW（）OSCtxSw（）因为MCS-51没有软中断指令，所以用程序调用代替。

两者的堆栈格式相同，RETI指令复位中断系统，RET则没有。

实践表明，对于MCS-51，用子程序调用入栈，用中断返回指令RETI出栈是没有问题的，反之中断入栈RET出栈则不行。

总之，对于入栈，子程序调用与中断调用效果是一样的，可以混用。

在没有中断发生的情况下复位中断系统也不会影响系统正常运行。

详见《uC/OS-II》第八章193页第12行

（3）改写OS_CPU_C.C

我设计的堆栈结构如下图所示：

TCB结构体中OSTCBStkPtr总是指向用户堆栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆栈映像，即：

用户堆栈空间大小=系统堆栈空间大小+1。

SP总是先加1再存数据，因此，SP初始时指向系统堆栈起始地址（OSStack）减1处（OSStkStart）。

很明显系统堆栈存储空间大小=SP-OSStkStart。

任务切换时，先保存当前任务堆栈内容。

方法是：

用SP-OSStkStart得出保存字节数，将其写入用户堆栈最低地址内，以用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由系统栈向用户栈拷贝数据，循环SP-OSStkStart次，每次拷贝前先将各自栈指针增1。

其次，恢复最高优先级任务系统堆栈。

方法是：

获得最高优先级任务用户堆栈最低地址，从中取出“长度”，以最高优先级任务用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由用户栈向系统栈拷贝数据，循环“长度”数值指示的次数，每次拷贝前先将各自栈指针增1。

用户堆栈初始化时从下向上依次保存：

用户堆栈长度（15），PCL，PCH，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7。

不保存SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出。

OSTaskStkInit函数总是返回用户栈最低地址。

操作系统tick时钟我使用了51单片机的T0定时器，它的初始化代码用C写在了本文件中。

最后还有几点必须注意的事项。

本来原则上我们不用修改与处理器无关的代码，但是由于KEIL编译器的特殊性，这些代码仍要多处改动。

因为KEIL缺省情况下编译的代码不可重入，而多任务系统要求并发操作导致重入，所以要在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字。

另外，“pdata”、“data”在uCOS中用做一些函数的形参，但它同时又是KEIL的关键字，会导致编译错误，我通过把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解决了此问题。

OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy这几个变量在汇编程序中用到了，为了使用Ri访问而不用DPTR，应该用KEIL扩展关键字IDATA将它们定义在内部RAM中。

（4）重写OS_CPU_A.ASM

A51宏汇编的大致结构如下：

NAME模块名;与文件名无关

;定义重定位段必须按照C51格式定义，汇编遵守C51规范。

段名格式为：

PR?

函数名?

模块名

;声明引用全局变量和外部子程序注意关键字为“EXTRN”没有‘E’

全局变量名直接引用

无参数/无寄存器参数函数FUNC

带寄存器参数函数_FUNC

重入函数_?

FUNC

;分配堆栈空间

只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。

切莫自己分配堆栈起点，只要用DS通知KEIL预留堆栈空间即可。

STACK段名与STARTUP.A51中的段名相同，这意味着KEIL在LINK时将把两个同名段拼在一起，我预留了40H个字节，STARTUP.A51预留了1个字节，LINK完成后堆栈段总长为41H。

查看yy.m51知KEIL将堆栈起点定在21H，长度41H，处于内部RAM中。

;定义宏

宏名MACRO实体ENDM

;子程序

OSStartHighRdy

OSCtxSw

OSIntCtxSw

OSTickISR

SerialISR

END;声明汇编源文件结束

一般指针占3字节。

+0类型+1高8位数据+2低8位数据详见C51.PDF第178页

低位地址存高8位值，高位地址存低8位值。

例如0x1234，基址+0:

0x12基址+1:

0x34

（5）移植串口驱动程序

在此之前我写过基于中断的串口驱动程序，包括打印字节/字/长字/字符串，读串口，初始化串口/缓冲区。

把它改成重入函数即可直接使用。

系统提供的显示函数是并发的，它不是直接显示到串口，而是先输出到显存，用户不必担心IO慢速操作影响程序运行。

串口输入也采用了同样的技术，他使得用户在CPU忙于处理其他任务时照样可以盲打输入命令。

（6）编写测试程序Demo（YY.C）

Demo程序创建了3个任务A、B、C优先级分别为2、3、4，A每秒显示一次，B每3秒显示一次，C每6秒显示一次。

从显示结果看，显示3个A后显示1个B，显示6个A和2个B后显示1个C，结果显然正确。

显示结果如下：

AAAAAA111111isactive

BBBBBB333333isactive

AAAAAA111111isactive

BBBBBB333333isactive

CCCCCC666666isactive

AAAAAA111111isactive

BBBBBB333333isactive

AAAAAA111111isactive

BBBBBB333333isactive

CCCCCC666666isactive

Demo程序经Keil701编译后，代码量为7-8K，可直接在KeilC51上仿真运行。

编译时要将OS_CPU_C.C、UCOS_II.C、OS_CPU_A.ASM、YY.C加入项目

文件名:

OS_CPU_A.ASM

$NOMOD51

EABIT0A8H.7

SPDATA081H

BDATA0F0H

ACCDATA0E0H

DPHDATA083H

DPLDATA082H

PSWDATA0D0H

TR0BIT088H.4

TH0DATA08CH

TL0DATA08AH

NAMEOS_CPU_A;模块名

;定义重定位段

PR?

OSStartHighRdy?

OS_CPU_ASEGMENTCODE

PR?

OSCtxSw?

OS_CPU_ASEGMENTCODE

PR?

OSIntCtxSw?

OS_CPU_ASEGMENTCODE

PR?

OSTickISR?

OS_CPU_ASEGMENTCODE

PR?

serial?

OS_CPU_ASEGMENTCODE

;声明引用全局变量和外部子程序

EXTRNIDATA（OSTCBCur）

EXTRNIDATA（OSTCBHighRdy）

EXTRNIDATA（OSRunning）

EXTRNIDATA（OSPrioCur）

EXTRNIDATA（OSPrioHighRdy）

EXTRNCODE（_?

OSTaskSwHook）

EXTRNCODE（_?

serial）

EXTRNCODE（_?

OSIntEnter）

EXTRNCODE（_?

OSIntExit）

EXTRNCODE（_?

OSTimeTick）

;对外声明4个不可重入函数

PUBLICOSStartHighRdy

PUBLICOSCtxSw

PUBLICOSIntCtxSw

PUBLICOSTickISR

;PUBLICSerialISR

;分配堆栈空间。

只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。

STACKSEGMENTIDATA

RSEG?

STACK

OSStack:

DS40H

OSStkStartIDATAOSStack-1

;定义压栈出栈宏

PUSHALLMACRO

PUSHPSW

PUSHACC

PUSHB

PUSHDPL

PUSHDPH

MOVA,R0;R0-R7入栈

PUSHACC

MOVA,R1

PUSHACC

MOVA,R2

PUSHACC

MOVA,R3

PUSHACC

MOVA,R4

PUSHACC

MOVA,R5

PUSHACC

MOVA,R6

PUSHACC

MOVA,R7

PUSHACC

;PUSHSP;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整

ENDM

POPALLMACRO

;POPACC;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整

POPACC;R0-R7出栈

MOVR7,A

POPACC

MOVR6,A

POPACC

MOVR5,A

POPACC

MOVR4,A

POPACC

MOVR3,A

POPACC

MOVR2,A

POPACC

MOVR1,A

POPACC

MOVR0,A

POPDPH

POPDPL

POPB

POPACC

POPPSW

ENDM

;子程序

;-------------------------------------------------------------------------

RSEG?

PR?

OSStartHighRdy?

OS_CPU_A

OSStartHighRdy:

USING0;上电后51自动关中断，此处不必用CLREA指令，因为到此处还未开中断，本程序退出后，开中断。

LCALL_?

OSTaskSwHook

OSCtxSw_in:

;OSTCBCur===>DPTR获得当前TCB指针，详见C51.PDF第178页

MOVR0,#LOW（OSTCBCur）;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3字节。

+0类型+1高8位数据+2低8位数据

INCR0

MOVDPH,@R0;全局变量OSTCBCur在IDATA中

INCR0

MOVDPL,@R0

;OSTCBCur->OSTCBStkPtr===>DPTR获得用户堆栈指针

INCDPTR;指针占3字节。

+0类型+1高8位数据+2低8位数据

MOVXA,@DPTR;.OSTCBStkPtr是void指针

MOVR0,A

INCDPTR

MOVXA,@DPTR

MOVR1,A

MOVDPH,R0

MOVDPL,R1

;*UserStkPtr===>R5用户堆栈起始地址内容（即用户堆栈长度放在此处）详见文档说明指针用法详见C51.PDF第178页

MOVXA,@DPTR;用户堆栈中是unsignedchar类型数据

MOVR5,A;R5=用户堆栈长度

;恢复现场堆栈内容

MOVR0,#OSStkStart

restore_stack:

INCDPTR

INCR0

MOVXA,@DPTR

MOV@R0,A

DJNZR5,restore_stack

;恢复堆栈指针SP

MOVSP,R0

;OSRunning=TRUE

MOVR0,#LOW（OSRunning）

MOV@R0,#01

POPALL

SETBEA;开中断

RETI

;-------------------------------------------------------------------------

RSEG?

PR?

OSCtxSw?

OS_CPU_A

OSCtxSw:

PUSHALL

OSIntCtxSw_in:

;获得堆栈长度和起址

MOVA,SP

CLRC

SUBBA,#OSStkStart

MOVR5,A;获得堆栈长度

;OSTCBCur===>DPTR获得当前TCB指针，详见C51.PDF第178页

MOVR0,#LOW（OSTCBCur）;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3字节。

+0类型+1高8位数据+2低8位数据

INCR0

MOVDPH,@R0;全局变量OSTCBCur在IDATA中

INCR0

MOVDPL,@R0

;OSTCBCur->OSTCBStkPtr===>DPTR获得用户堆栈指针

INCDPTR;指针占3字节。

+0类型+1高8位数据+2低8位数据

MOVXA,@DPTR;.OSTCBStkPtr是void指针

MOVR0,A

INCDPTR

MOVXA,@DPTR

MOVR1,A

MOVDPH,R0

MOVDPL,R1

;保存堆栈长度

MOVA,R5

MOVX@DPTR,A

MOVR0,#OSStkStart;获得堆栈起址

save_stack:

INCDPTR

INCR0

MOVA,@R0

MOVX@DPTR,A

DJNZR5,save_stack

;调用用户程序

LCALL_?

OSTaskSwHook

;OSTCBCur=OSTCBHighRdy

MOVR0,#OSTCBCur

MOVR1,#OSTCBHighRdy

MOVA,@R1

MOV@R0,A

INCR0

INCR1

MOVA,@R1

MOV@R0,A

INCR0

INCR1

MOVA,@R1

MOV@R0,A

;OSPrioCur=OSPrioHighRdy使用这两个变量主要目的是为了使指针比较变为字节比较，以便节省时间。

MOVR0,#OSPrioCur

MOVR1,#OSPrioHighRdy

MOVA,@R1

MOV@R0,A

LJMPOSCtxSw_in

;-------------------------------------------------------------------------

RSEG?

PR?

OSIntCtxSw?

OS_CPU_A

OSIntCtxSw:

;调整SP指针去掉在调用OSIntExit（）,OSIntCtxSw（）过程中压入堆栈的多余内容

;SP=SP-4

MOVA,SP

CLRC

SUBBA,#4

MOVSP,A

LJMPOSIntCtxSw_in

;-------------------------------------------------------------------------

CSEGAT000BH;OSTickISR

LJMPOSTickISR;使用定时器0

RSEG?

PR?

OSTickISR?

OS_CPU_A

OSTickISR:

USING0

PUSHALL

CLRTR0

MOVTH0,#70H;定义Tick=50次/秒（即0.02秒/次）

MOVTL0,#00H;OS_CPU_C.C和OS_TICKS_PER_SEC

SETBTR0

LCALL_?

OSIntEnter

LCALL_?

OSTimeTick

LCALL_?

OSIntExit

POPALL

RETI

;-------------------------------------------------------------------------

CSEGAT0023H;串口中断

LJMPSerialISR;工作于系统态，无任务切换。

RSEG?

PR?

serial?

OS_CPU_A

SerialISR:

USING0

PUSHALL

CLREA

LCALL_?

serial

SETBEA

POPALL

RETI

;-------------------------------------------------------------------------

END

;-------------------------------------------------------------------------

文件名:

OS_CPU_C.C

void*OSTaskStkInit（void（*task）（void*pd）,void*ppdata,void*ptos,INT16Uopt）reentrant

{

OS_STK*stk;

ppdata=ppdata;

opt=opt;//opt没被用到，保留此语句防止告警产生

stk=（OS_STK*）ptos;//用户堆栈最低有效地址

*stk++=15;//用户堆栈长度

*stk++=（INT16U）task&0xFF;//任务地址低8位

*stk++=（INT16U）task>>8;//任务地址高8位

*stk++=0x00;//PSW

*stk++=0x0A;//ACC

*stk++=0x0B;//B

*stk++=0x00;//DPL

*stk++=0x00;//DPH

*stk++

展开阅读全文