uC/OS-II在電能計(jì)量電表中的應(yīng)用研究

目前嵌入式系統(tǒng)正在不斷地向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)已成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)發(fā)展方向。

本文以開發(fā)電能計(jì)量電表中應(yīng)用C/OS-II為實(shí)例,介紹了將實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II移植到目標(biāo)系統(tǒng)中的方法,分析和研究了在單片機(jī)系統(tǒng)中使用嵌入式操作系統(tǒng)的有關(guān)問題。

1 引言

隨著后PC時(shí)代和網(wǎng)絡(luò)以及通信技術(shù)時(shí)代的到來,嵌入式操作系統(tǒng)在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域受已經(jīng)到了越來越多的關(guān)注。因?yàn)橐粋€(gè)好的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠提高產(chǎn)品的研制效率,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,所以許多生產(chǎn)廠家正在紛紛考慮采用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)來開發(fā)自己的產(chǎn)品。

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,大體可分為兩種——商用型及免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠、有完善技術(shù)支持及售后服務(wù),但其昂貴價(jià)格限制了它在為數(shù)眾多的低端低成本的場(chǎng)合的應(yīng)用。并且對(duì)這些場(chǎng)合來講,一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議核、文件管理,內(nèi)存管理的操作系統(tǒng)實(shí)在顯得過于龐大了。它們需要的僅僅是一個(gè)穩(wěn)定的包含任務(wù)管理及進(jìn)程調(diào)度的實(shí)時(shí)內(nèi)核,對(duì)一個(gè) 8位或16位單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合,一個(gè)代碼長度不超過10KB,占用系統(tǒng)資源不超過10%象mC/OS-II這樣的實(shí)時(shí)內(nèi)核是非常適合的。

2 mC/OS-II 系統(tǒng)簡介

mC/OS-II 是由Labrose先生編寫的開放式內(nèi)核,具有源碼公開,可移植、可固化、可裁剪,穩(wěn)定性及可靠性高的特點(diǎn)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理任務(wù)同步與通信、內(nèi)存管理及中斷服務(wù)等功能,支持64用戶服務(wù)。90%的代碼函數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言書寫,程序可讀性強(qiáng)、移植性好。適合于小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高,占用空間小,實(shí)時(shí)性能優(yōu)良,可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn),加之它穩(wěn)定、可靠,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航空、醫(yī)療器械、工業(yè)控制等領(lǐng)域,被證明是一個(gè)成熟穩(wěn)定的實(shí)時(shí)內(nèi)核。

3 在AT89C51上運(yùn)行mC/OS-II

要使用mC/OS-II,首先就必須把這個(gè)內(nèi)核成功地移植到使用的CPU上去。下面就給出在電能計(jì)量電表所用的AT89C51上移植mC/OS-II過程。mC/OS-II移植的軟件部分要完成以下工作。

3.1 與編譯器有關(guān)的代碼

在不同的處理器中有不同的字長,所以必須定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。在C/OS-II中,不使用C的char、int和long等數(shù)據(jù)類型,這些都是和編譯器相關(guān)的,在AT89C51處理器中,各種數(shù)據(jù)類型定義如下:

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U;

typedef signed char INT8S;

typedef unsigned int INT16U;

typedf signed int INT16S;

typedef unsigned long INT32U;

typedef signed long INT32S;

typedef float FP32;

typedef double FP64;

typedef unsigned char OS_STK;

mC/OS-II需要先禁止中斷訪問代碼的臨界區(qū),并且在訪問完畢后重新允許中斷。mC/OS-II定義了兩個(gè)宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來禁止和允許中斷。實(shí)現(xiàn)方法如下:

#define OS_ENTER_CRITICAL() EA = 0

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA = 1

#define OS_STK_GROWTH 0

#define OS_TASK_SWO 0SCtxSW()

3.2 4個(gè)匯編語言函數(shù)

這部分需要對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作,所以必須用匯編語言來編寫。 mC/OS-II的移植要求用戶編寫4個(gè)簡單的匯編語言函數(shù)：OSStarHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。

OSStarHighRdy()在多任務(wù)系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)OSStar()中調(diào)用。主要功能是將就緒表中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的棧指針加載到SP中,并強(qiáng)制中斷返回。這樣就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就如同從中斷處理返回到運(yùn)行態(tài)一樣,使得整個(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)。

OSCtxSw()在任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用。任務(wù)級(jí)的切換問題是通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。由于AT89C51沒有軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令,所以用OS_TASK_SW()直接調(diào)用OSCtxSw()來完成。

OSIntCtxSw()通過調(diào)用OSIntCtxSw()來從ISR中執(zhí)行切換功能。具體完成任務(wù)是調(diào)整堆棧指針,保存當(dāng)前任務(wù)的SP,載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回,從而完成中斷級(jí)任務(wù)切換。

OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)。這是一個(gè)周期性中斷,為內(nèi)核提供時(shí)鐘節(jié)拍,頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重。此外還要編寫6個(gè)與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù),有關(guān)這些函數(shù)具體功能更詳細(xì)的闡述,請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1][2]。做完以上工作后,mC/OS-II就可以運(yùn)行了。