嵌入式RTOS在MSP430單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

摘 要:介紹一種基于MSP430單片機(jī)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)設(shè)計(jì)。以uC/OS-Ⅱ在MSP430F148芯片上的移植和應(yīng)用為例，著重討論幾個(gè)在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)RTOS經(jīng)常遇到的問題，如中斷堆棧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、如何保證單片機(jī)的低功耗特性、如何減少RTOS在運(yùn)行中占用的RAM空間等問題。

關(guān)鍵詞:單片機(jī) RTOSuC/OS-IIMSP430F148 低功耗 中斷堆棧

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，信息家電、智能儀表和智能安保系統(tǒng)等產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在人們的生活中?？梢灶A(yù)見，為了滿足人們對舒適、便捷、安全生活環(huán)境的需求，嵌入式信息產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、應(yīng)用將得到快速發(fā)展。

單片機(jī)作為嵌入式信息產(chǎn)品的一個(gè)重要應(yīng)用方面，其使用、設(shè)計(jì)面臨著全新的挑戰(zhàn)。一方面，人們對嵌入式產(chǎn)品的要求越來越高，穩(wěn)定可靠、功能豐富、物美價(jià)廉的信息產(chǎn)品將成為人們的首選。另一方面，隨著微電子工藝水平的發(fā)展，單片機(jī)處理器的能力不斷提高，從最初的8位單片機(jī)到16位，進(jìn)而32位單片機(jī)，功能越來越強(qiáng)大，執(zhí)行速度越來越快，集成度、精確度也越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬?？梢哉f，單片機(jī)芯片的性能已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)代人們對嵌入式信息產(chǎn)品的更高要求。為了能將二者有效地結(jié)合起來，嵌入式RTOS的軟件設(shè)計(jì)方法也取代了以前的前后臺(tái)(超循環(huán))設(shè)計(jì)方法，越來越受到重視和應(yīng)用。

正如分時(shí)操作系統(tǒng)中Linux的出現(xiàn)打破了Windows一統(tǒng)天下的局面一樣，由美國Jean J.Labrosse先生設(shè)計(jì)和編寫的uC/OS-II(Micro C OS 2)的出現(xiàn)也給國內(nèi)的RTOS應(yīng)用者帶來了驚喜。uC/OS-II的最大優(yōu)點(diǎn)與Linux相同，即其源代碼全部公開，使人們在應(yīng)用它的同時(shí)能清楚地了解內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并且能夠根據(jù)自己的需求進(jìn)行移植和修改。特別重要的是uC/OS-II經(jīng)過8年的發(fā)展，已經(jīng)成功地在多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用，保證了實(shí)用性和可靠性。它的出現(xiàn)改變了以前人們在使用RTOS時(shí)的態(tài)度，減少了經(jīng)濟(jì)上的顧慮，對于國內(nèi)RTOS的研究、推廣、應(yīng)用將起到重要的推動(dòng)作用。uC/OS-II采用微內(nèi)核設(shè)計(jì)，使用C語言編寫，追求靈活性，可配置、可裁剪、可擴(kuò)充、移植性強(qiáng)。需要強(qiáng)調(diào)的是 uC/OS-II嚴(yán)格采用優(yōu)先級搶占式調(diào)度方案。在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，根據(jù)任務(wù)的重要性給每個(gè)任務(wù)分配不同的優(yōu)先級。任務(wù)調(diào)度時(shí)，先執(zhí)行高優(yōu)先級的任務(wù)，然后按照優(yōu)先級由高到低執(zhí)行任務(wù)。如果在某個(gè)任務(wù)執(zhí)行中，激發(fā)了一個(gè)優(yōu)先級更高的任務(wù)，那么在該任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，將由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度去執(zhí)行所激發(fā)的高優(yōu)先級任務(wù)，而不是順序執(zhí)行。

下面就uC/OS-II在TI公司生產(chǎn)的MSP430F148芯片上的移植和應(yīng)用來探討在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)RTOS可能遇到的一些問題。

1 MSP430系列單片機(jī)簡介

MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開發(fā)的16位單片機(jī)。其突出特點(diǎn)是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場合。有多個(gè)系列和型號，分別由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。典型應(yīng)用是流量計(jì)、智能儀表、醫(yī)療設(shè)備和保安系統(tǒng)等方面。由于其較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用已日趨廣泛。

MSP430F148是TI新近推出的MSP430F14x/13x系列單片機(jī)中的一款。相對MSP430系列的其它芯片，主要特點(diǎn)如下：

超低功耗。由于內(nèi)置了功耗極低的快速閃存，因此，MSP430F14x/13x系列在待機(jī)模式下所消耗的電能還少于電池未使用時(shí)的自然損耗。在正常的工作狀態(tài)下，如果工作電壓為2.2 V，其典型消耗電流僅為250uA/MIPS，而待機(jī)模式下工作電流降至僅1uA以下。

執(zhí)行速度快。MSP430F13x/14x系列的工作電壓范圍為1.8~3.6 V，性能可達(dá)8 MIPS。

存儲(chǔ)容量大。MSP430F148片內(nèi)內(nèi)置了48 KB Flash ROM和2 KB RAM。RAM空間是MSP430系列中最大的，基本符合運(yùn)行RTOS的需要。

高性能A/D。包含了1個(gè)具有8個(gè)外部通道的12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器。利用芯片內(nèi)置的自動(dòng)掃描功能，A/D轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨(dú)立工作。

集成度高。該器件還包括1個(gè)獨(dú)立的看門狗、2個(gè)脈寬調(diào)制定時(shí)器(PWM)、1個(gè)比較器、2個(gè)USART口以及48個(gè)輸入/輸出引腳等部件。

在線支持強(qiáng)。MSP430F13x/14x系列均可由MSP-FET430P140閃速仿真工具(FET)提供支持。該FET是一種完整的集成開發(fā)環(huán)境，包括源代碼級調(diào)試器、仿真器、匯編/連接器、C編譯器、2種評估芯片、目標(biāo)板、JTAG接口以及編程單元等。

由以上介紹可以看出，MSP430F148屬于一種中低端的單片機(jī)，只具備運(yùn)行RTOS的基本條件，所以在它上面運(yùn)行RTOS所遇見的一些問題，對于一般的單片機(jī)而言是具有代表性的。

2 中斷堆棧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在uC/OS-II中，任務(wù)切換分為任務(wù)級切換和中斷級切換。其中任務(wù)級切換是通過發(fā)軟中斷指令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。軟中斷指令會(huì)強(qiáng)制將一些處理器寄存器保存到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中，并執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。其目的是使處于就緒態(tài)的任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)看起來就像剛發(fā)生過中斷并將全部寄存器保存在堆棧的情形一樣。如MCS-5l以及x86芯片都有類似的指令，但問題出在有一些單片機(jī)芯片中沒有軟中斷指令，并且在發(fā)生中斷時(shí)保存寄存器的情況根據(jù)單片機(jī)芯片和所使用的編譯器的不同而有很大區(qū)別。

MSP430F148中就沒有軟中斷指令，所使用的IAR編譯器在發(fā)生中斷時(shí)也不保存所有的寄存器，而是只保存幾個(gè)在中斷中使用到的寄存器。所有這些都是不符合uC/OS-II的移植條件的。我們的解決方法是根據(jù)具體情況來自己定義一個(gè)中斷結(jié)構(gòu)，不論是在任務(wù)級調(diào)度還是中斷發(fā)生或調(diào)度以及任務(wù)堆棧的初始化時(shí)，都要按照這個(gè)結(jié)構(gòu)來執(zhí)行。代價(jià)是必須對所編寫的中斷程序的匯編代碼進(jìn)行人工修改，使之符合這個(gè)中斷結(jié)構(gòu)。

為設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的中斷堆棧結(jié)構(gòu)，首先必須清楚所使用的單片機(jī)在發(fā)生中斷時(shí)執(zhí)行了哪些操作，即向堆棧中保存了哪些寄存器以及它們的順序。當(dāng)MSP430單片機(jī)發(fā)生中斷時(shí)，只進(jìn)行2條基本操作，先將SR(狀態(tài)寄存器)壓入堆棧中保存，然后將中斷發(fā)生時(shí)要執(zhí)行的下一條指令的PC值壓入堆棧保存。其次，要清楚所使用的C編譯器在編譯C語言編寫的中斷程序時(shí)，進(jìn)行了哪些默認(rèn)的操作。通過對所使用的IAR V2.13編譯器編譯產(chǎn)生的匯編程序進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，除了以上的2條基本操作以外，在中斷程序的開頭，還自動(dòng)保存了 R12~R15四個(gè)寄存器，余下的R4~Rll八個(gè)寄存器中只保存在中斷程序中用到的個(gè)別寄存器，而不是全部保存。但在RTOS中必須保存所有的寄存器，這樣才能正確保存該任務(wù)的狀態(tài)。通過以上分析，我們定義了MSP430運(yùn)行uC/OS-II時(shí)的中斷堆棧結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3 如何保證單片機(jī)的低功耗特性

單片機(jī)在嵌入式方面的應(yīng)用都非常強(qiáng)調(diào)單片機(jī)的超低功耗特性。MSP430系列的特點(diǎn)也在于此。如果由于運(yùn)行RTOS而破壞了單片機(jī)的低功耗特性是得不償失的。一般的單片機(jī)都規(guī)定了幾種不同功耗的工作模式，可以根據(jù)具體的需求來選擇。不同工作模式是通過讀寫1個(gè)或1組寄存器來控制CPU、時(shí)鐘、晶振以及外圍設(shè)備的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的。

MSP430系列單片機(jī)有6種不同的工作模式，都是通過對狀態(tài)寄存器SR的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。在RTOS中，由于每個(gè)任務(wù)都可以分別保存自己的狀態(tài)，包括狀態(tài)寄存器，所以在實(shí)現(xiàn)低功耗工作模式時(shí)更加靈活方便。首先，在設(shè)計(jì)每個(gè)任務(wù)時(shí)，都可以根據(jù)任務(wù)的具體要求定義它的工作模式。其次，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一個(gè)最低優(yōu)先級的任務(wù)，其作用就是使系統(tǒng)進(jìn)入特定的低功耗工作模式。這樣，在其它任務(wù)都運(yùn)行完畢后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)任務(wù)使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式。當(dāng)其它任務(wù)又恢復(fù)運(yùn)行時(shí)(如延時(shí)結(jié)束)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入其特定的工作狀態(tài)，以達(dá)到降低功耗的目的。

4 如何減少RTOS在運(yùn)行中占用的RAM空間
影響RTOS在單片機(jī)上應(yīng)用的主要原因是由于在單片機(jī)上運(yùn)行RTOS需要占用一定的系統(tǒng)資源，如系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM、Flash或ROM等，從而減少了應(yīng)用系統(tǒng)對資源的利用。特別是對RAM的占用。一般而言，單片機(jī)上的內(nèi)部RAM數(shù)量都很少(如MSP430F148是整個(gè)MSP430中RAM最多的，也只有2 KB)，雖然可以通過外部擴(kuò)展來增加RAM數(shù)量，但這樣不僅增加了設(shè)計(jì)的難度和產(chǎn)品成本，而且有時(shí)還使系統(tǒng)應(yīng)用無法進(jìn)行擴(kuò)展。所以，最好的方法是能夠充分利用單片機(jī)的內(nèi)部RAM來運(yùn)行RTOS。

通過分析uC/OS-II對RAM的使用情況可知，占用RAM空間最多的原因，是由于在設(shè)計(jì)uC/OS-II時(shí)，要給每個(gè)任務(wù)都分配一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)堆棧。特別在單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)沒有將中斷堆棧與任務(wù)堆棧分開時(shí)，計(jì)算任務(wù)堆棧的大小時(shí)不僅要計(jì)算任務(wù)中變量和函數(shù)嵌套所使用的RAM大小，還必須計(jì)算該任務(wù)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小。由于每一個(gè)任務(wù)均需預(yù)留中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小，所以使得大量RAM空間被浪費(fèi)。最直接的解決方法就是利用軟件來將任務(wù)堆棧和中斷堆棧分離，使得在計(jì)算任務(wù)堆棧的大小時(shí)，只需計(jì)算任務(wù)本身所需的RAM空間大小，從而提高了RAM的使用效率，增加了更多的應(yīng)用任務(wù)。

所謂將中斷堆棧與任務(wù)堆棧分離，就是在內(nèi)存中專門開辟出一塊區(qū)域作為中斷堆棧使用，任何一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生中斷都只使用它。設(shè)計(jì)的原則：一是要盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開；二是模擬的中斷堆棧指針必須一直保持在中斷堆棧的頂部，即中斷時(shí)中斷堆棧指針要時(shí)刻保持與SP的同步變化。

為了達(dá)到這個(gè)目的，單片機(jī)芯片必須具備以下2個(gè)條件。

首先，單片機(jī)芯片必須有一個(gè)通用寄存器和相應(yīng)的指令能夠模仿堆棧指針SP的功能，即能實(shí)現(xiàn)軟堆棧。在MSP430系列單片機(jī)中有以下指令可以仿真SP的功能（把R4作為中斷堆棧指針使用）：

MOV @R4+，SP ；將R4所指向地址中的內(nèi)容存入SP；中，同時(shí)R4中內(nèi)容加2
MOV SP，0(R4) ；將SP中的內(nèi)容存入R4所指向的地址中
MOV @R4+，PC ；將R4所指向地址中的內(nèi)容存入PC；中，同時(shí)R4中內(nèi)容加2

其次，作為模擬中斷堆棧指針的寄存器R4，必須在中斷之外的任何情況下不被使用。因?yàn)椋藭r(shí)的R4必須時(shí)刻保持在中斷堆棧的頂部，如果改變它的值，就會(huì)改變中斷堆棧的結(jié)構(gòu)。一般這個(gè)要求是由所使用的編譯器來保證的，在我們所使用的IAR編譯器中，有一個(gè)選項(xiàng)可以避免使用R4和/或R5。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，我們在uC/OS-II每個(gè)任務(wù)的TCB(任務(wù)控制塊)結(jié)構(gòu)中加入以下幾項(xiàng)：

TSP--任務(wù)堆棧指針。發(fā)生中斷后，指向該任務(wù)的任務(wù)堆棧的頂部。

ISP--中斷堆棧指針。如果在中斷中發(fā)生任務(wù)切換，指向該任務(wù)在中斷堆棧所保存狀態(tài)的頂部。

FromInt標(biāo)志--是否來自中斷標(biāo)志。用來判斷該任務(wù)的狀態(tài)是保存在中斷堆棧中(為1)，還是保存在任務(wù)堆棧中(為0)。

下面假設(shè)一個(gè)普通任務(wù)1在執(zhí)行過程發(fā)生中斷，對它在中斷執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的幾種情況進(jìn)行分析。

(1)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中沒有激活更高優(yōu)先級的任務(wù)，而是正常結(jié)束中斷，繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)1，如圖2所示。

開始中斷：將在中斷發(fā)生時(shí)保存在當(dāng)前任務(wù)堆棧的SR和PC移到中斷堆棧中保存，同時(shí) SP回到中斷前的位置并將它保存到該任務(wù)TCB中的TSP中(這是為了在中斷結(jié)束后，保持任務(wù)堆棧的連續(xù)性)，然后將SP指到目前中斷堆棧的頂部，按照自定義堆棧結(jié)構(gòu)的順序依次將所有寄存器都保存到中斷堆棧中。保存的過程中R4必須與SP保持同步變化，同時(shí)將FromInt標(biāo)志置l。

退出中斷：由于沒有激活更高優(yōu)先級的任務(wù)，所以在中斷任務(wù)完成后，將按正常的順序退出中斷，即將保存在中斷堆棧中的寄存器推出堆棧，將FromInt標(biāo)志置0，SP重新指向該任務(wù)的任務(wù)堆棧中，最后，將PC指針指向中斷前的返回地址，繼續(xù)程序運(yùn)行。

(2)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務(wù)2。中斷結(jié)束時(shí)由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度去執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務(wù)2，沒有返回普通任務(wù)1。

當(dāng)執(zhí)行任務(wù)2時(shí)，任務(wù)調(diào)度器會(huì)將任務(wù)2保存在自己任務(wù)堆棧中的狀態(tài)恢復(fù)并執(zhí)行任務(wù)2。執(zhí)行完后，如果沒有激活更高優(yōu)先級的任務(wù)，那么按照優(yōu)先級高低的原則，調(diào)度器將調(diào)度執(zhí)行任務(wù)1。通過判斷任務(wù)1的TCB中的FromInt標(biāo)志，可以知道任務(wù)1的狀態(tài)是保存在任務(wù)堆棧中還是中斷堆棧中，從而可以將其狀態(tài)恢復(fù)，繼續(xù)運(yùn)行。

(3)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務(wù)2，執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷。

由于uC/OS-II是嚴(yán)格按照優(yōu)先級搶占式原則進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的，所以將任務(wù)狀態(tài)保存在中斷堆棧頂部的任務(wù)的優(yōu)先級一定比狀態(tài)保存在它下面的任務(wù)的優(yōu)先級高。在執(zhí)行時(shí)，是由中斷堆棧的頂部向底部順序執(zhí)行。在這種假設(shè)中，一定先執(zhí)行任務(wù)2，然后執(zhí)行任務(wù)1，如圖3所示。

(4)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務(wù)2。在執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷，在中斷過程中任務(wù)2由于等待信號量而被掛起。

這種情況在系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)被禁止，在中斷中不允許使用信號量將中斷掛起。

(5) 在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級的任務(wù)2。在執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷，中斷中激活更高優(yōu)先級的任務(wù)3。中斷結(jié)束時(shí)由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度去執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務(wù)3。

這種情況與討論的情況2是一樣的。

(6)高優(yōu)先級任務(wù)2被更高優(yōu)先級的任務(wù)3中止，在任務(wù)3運(yùn)行完后，任務(wù)調(diào)度器將直接調(diào)度執(zhí)行任務(wù)1(按照優(yōu)先級調(diào)度)。

由于各個(gè)任務(wù)的ISP和TSP在任務(wù)切換前都已經(jīng)保存在該任務(wù)的TCB中，任務(wù)1的堆棧指針和R4可以回到該任務(wù)在其任務(wù)堆棧和中斷堆棧的正確的位置。

任務(wù)2被中止包括兩種情況。一是任務(wù)2被別的任務(wù)刪除，此時(shí)任務(wù)2在中斷堆棧中占用的空間會(huì)自動(dòng)釋放。二是任務(wù)2被別的任務(wù)掛起，此時(shí)應(yīng)在將程序掛起的函數(shù)TaskSuspend()中添加一段代碼，將其保存在中斷堆棧中的狀態(tài)移到自己的任務(wù)堆棧中，同時(shí)將其TCB中的FromInt標(biāo)志設(shè)為0。這樣，在任務(wù)2解除掛起后，會(huì)去任務(wù)堆棧中恢復(fù)其狀態(tài)。

(7)中斷中發(fā)生中斷嵌套。

發(fā)生中斷嵌套時(shí)，要按照中斷嵌套的機(jī)制進(jìn)行處理。首先，在中斷嵌套中，不允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，這樣，即使在中斷嵌套中激發(fā)了更高優(yōu)先級的任務(wù)，也必須等到最后中斷退出前才進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行。這一點(diǎn)是由uC/OS-II系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證的。其次，保存寄存器和函數(shù)調(diào)用所占用的RAM字節(jié)全部在中斷嵌套中。在退出中斷嵌套時(shí)，不必將TCB中的FromInt標(biāo)志復(fù)位。

5 程序設(shè)計(jì)流程

(1)中斷程序結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

(2)普通任務(wù)間的任務(wù)切換程序流程，如圖5所示。

(3)在中斷中任務(wù)切換程序流程，如圖6所示。

我們已經(jīng)在MSP430F148上成功運(yùn)行了uC/OS-II，在RAM只有2 KB的情況下，能夠運(yùn)行16個(gè)任務(wù)，可以滿足一些復(fù)雜的應(yīng)用需求，大大擴(kuò)展了MSP430F148的應(yīng)用范圍，并且提高了應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了驗(yàn)證實(shí)際效果，在此基礎(chǔ)上，我們將幾個(gè)常用的家庭儀表--水表、暖氣表、熱水表集成在一起，運(yùn)行效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)
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2 胡大可編著. MSP430系列16位單片機(jī)原理和應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000
3 胡大可編著. MSP430系列FLASH型16位單片機(jī). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001

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