uC/OS II的任務(wù)切換機(jī)理及中斷調(diào)度優(yōu)化

　　在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，由Jean J. Labrosse開發(fā)的μC/OS，由于開放源代碼和強(qiáng)大而穩(wěn)定的功能，曾經(jīng)一度在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強(qiáng)烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統(tǒng)會(huì)議（美國）的顧問委員會(huì)的成員。

　　不管是對于初學(xué)者，還是有經(jīng)驗(yàn)的工程師，uC/OS開放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過對于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入了解，能更加方便地進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試；并且在這種條件下，完全可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理的裁減、擴(kuò)充、配置和移植。通常，購買RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學(xué)習(xí)者望而卻步；而uC/OS對于學(xué)校研究完全免費(fèi)，只有在應(yīng)用于盈利項(xiàng)目時(shí)才需要支付少量的版權(quán)費(fèi)，特別適合一般使用者的學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。自1992第1版問世以來，已有成千上萬的開發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)得到認(rèn)證，現(xiàn)已經(jīng)通過美國FAA認(rèn)證。

1 uC/OS II的幾大組成部分
　　uC/OS II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

　　核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

　　任務(wù)處理部分(OSTask.c) 任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)閡C/OS II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

　　時(shí)鐘部分(OSTime.c) uC/OS II中的最小時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

　　任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

　　與CPU的接口部分是指uC/OS II針對所使用的CPU的移植部分。由于uC/OS II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對于關(guān)鍵問題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

2 對于MSP430的中斷處理

　　2.1 函數(shù)調(diào)用和中斷調(diào)用的操作
　　MSP430最常使用的C編譯器應(yīng)該就是IAR Embedd-ed WorkBench。對于這一編譯器來說，通過分析和研究，發(fā)現(xiàn)它有以下規(guī)律。

　　(1)函數(shù)調(diào)用
　　如果是函數(shù)級調(diào)用，編譯器會(huì)在函數(shù)調(diào)用時(shí)先把當(dāng)前函數(shù)PC壓棧，然后調(diào)用函數(shù)，PC值改變。如果被調(diào)用的函數(shù)帶有參數(shù)，那么，編譯器按照以下的規(guī)則進(jìn)行。最左邊的兩個(gè)參數(shù)如果不是struct（結(jié)構(gòu)體）或者union（聯(lián)合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數(shù)剩下的參數(shù)都將被壓棧。根據(jù)最左邊的那兩個(gè)參數(shù)的類型，分別賦值給R12（對于32位類型賦值給R12:R13）和R14(對于32位類型賦值給R14:R15)。

　　(2)中斷調(diào)用
　　如果是在中斷中調(diào)用中斷服務(wù)子程序的話，編譯器將把當(dāng)前執(zhí)行語句的PC壓棧，同時(shí)再把SR壓棧。接著，根據(jù)中斷服務(wù)子程序的復(fù)雜程度，選擇把 R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統(tǒng)恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)，使程序接著被中斷的部分繼續(xù)運(yùn)行。

　　2.2 任務(wù)級和中斷級的任務(wù)切換步驟和原理

(1)任務(wù)級的任務(wù)切換原理
　　 uC/OS II是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在沒有用戶自己定義的中斷情況下，任務(wù)間的切換步驟是這樣的：任務(wù)間的切換一般會(huì)調(diào)用OSSched()函數(shù)。函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：

void OSSched(void){
關(guān)中斷
如果（不是中斷嵌套并且系統(tǒng)可以被調(diào)度）{
確定優(yōu)先級最高的任務(wù)
如果（最高級的任務(wù)不是當(dāng)前的任務(wù)）{
調(diào)用OSCtxSw();
}
}
開中斷
}

　　我們把這個(gè)函數(shù)稱作任務(wù)調(diào)度的前導(dǎo)函數(shù)。它先判斷要進(jìn)行任務(wù)切換的條件，如果條件允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，則調(diào)用OSCtxSw()。這個(gè)函數(shù)是真正實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的函數(shù)。由于期間要對堆棧進(jìn)行操作，所以O(shè)SCtxSw()一般用匯編語言寫成。它將正在運(yùn)行的任務(wù)的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把 R4~R15壓棧。接著把當(dāng)前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，緩蟀炎罡哂畔燃兜腡CB->OSTCBStkPtr的值賦值給SP。這時(shí)候，SP就已經(jīng)指到最高優(yōu)先級任務(wù)的任務(wù)堆棧了。然后進(jìn)行出棧工作，把R15~R4出棧。接著使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡單地說，uC/OS II切換到最高優(yōu)先級的任務(wù)，只是恢復(fù)最高優(yōu)先級任務(wù)所有的寄存器并運(yùn)行中斷返回指令（RETI），實(shí)際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。

　　(2)中斷級的任務(wù)切換原理
　　uC/OS II的中斷服務(wù)子程序和一般前后臺(tái)的操作有少許不同，往往需要這樣操作：

保存全部CPU寄存器
調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting++
開放中斷
執(zhí)行用戶代碼
關(guān)閉中斷
調(diào)用OSIntExit();
恢復(fù)所有CPU寄存器
RETI

　　OSIntEnter()就是將全局變量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中斷嵌套層數(shù)的變量。uC/OS II通過它確保在中斷嵌套的時(shí)候，不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。執(zhí)行完用戶的代碼后，uC/OS II調(diào)用OSIntExit()，一個(gè)與OSSched()很像的函數(shù)。在這個(gè)函數(shù)中，系統(tǒng)首先把OSIntNesting減1，然后判斷是否中斷嵌套。如果不是的話，并且當(dāng)前任務(wù)不是最高優(yōu)先級的任務(wù)，那么找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，執(zhí)行 OSIntCtxSw()這一出中斷任務(wù)切換函數(shù)。因?yàn)?，在這之前已經(jīng)做好了壓棧工作；在這個(gè)函數(shù)中，要進(jìn)行R15~R4的出棧工作。而且，由于在之前調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，可能已經(jīng)有一些寄存器被壓入了堆棧。所以要進(jìn)行堆棧指針的調(diào)整，使得能夠從正確的位置出棧。

3 使用uC/OS II存在的問題和解決方法
　　由于uC/OS II在應(yīng)用的時(shí)候會(huì)占用單片機(jī)上的一些資源，如系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM、Flash或者ROM，從而減少了用戶程序?qū)Y源的利用。對于 MSP430來說，RAM的占用是特別突出的問題。對于8、16位的單片機(jī)來說，片內(nèi)的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片內(nèi)RAM也只有 2KB，例如MSP430F149）。如果使用擴(kuò)展內(nèi)存，會(huì)大大增加設(shè)計(jì)難度。

　　通過對 uC/OS II的分析可以得知，μC/OS- II占用的RAM主要是用在每個(gè)任務(wù)的TCB、每個(gè)任務(wù)的堆棧等方面。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)任務(wù)堆棧大的原因是因?yàn)镸SP430的硬件設(shè)計(jì)中沒有把中斷堆棧和任務(wù)堆棧分開。這樣就造成了在應(yīng)用uC/OS II的時(shí)候，考慮每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧大小時(shí)，不單單需要計(jì)算任務(wù)中局部變量和函數(shù)嵌套層數(shù)，還需要考慮中斷的最大嵌套層數(shù)。因?yàn)?，對于uC/OS II原始的中斷處理的設(shè)計(jì)、中斷處理過程中的中斷嵌套中所需要壓棧的寄存器大小和局部變量的內(nèi)存大小，都需要算在每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，則對于每一個(gè)任務(wù)都需要預(yù)留這一部分內(nèi)存，所以大量的RAM被浪費(fèi)。從這里可以看出，解決這一問題的直接方法就是把中斷堆棧和每個(gè)任務(wù)自己的堆棧分開。這樣，在計(jì)算每個(gè)任務(wù)堆棧的時(shí)候，就不需要把中斷處理中（包括中斷嵌套過程中）的內(nèi)存的占用計(jì)算到每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，只需要計(jì)算每個(gè)任務(wù)本身需要的內(nèi)存大小，從而提高了 RAM的利用率，可以緩解內(nèi)存緊張的問題。

　　在這種設(shè)計(jì)方案中，中斷堆棧區(qū)也就是利用原有的 MSP430中的系統(tǒng)堆棧區(qū)。在前后臺(tái)的設(shè)計(jì)形式中，中斷中的壓棧和出棧的操作都是在系統(tǒng)的堆棧區(qū)完成的?；趗C/OS II的任務(wù)切換的原理，我們對于任務(wù)堆棧的功能和系統(tǒng)堆棧的功能做了以下劃分：任務(wù)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生中斷和任務(wù)切換的時(shí)候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各個(gè)任務(wù)自己的任務(wù)堆棧中；而中斷嵌套產(chǎn)生的壓棧和出棧的操作都是放在系統(tǒng)堆棧中進(jìn)行的。這種劃分方式是基于盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開的思想設(shè)計(jì)的。


　　從前面對于IAR EW的默認(rèn)操作分析來看，堆棧的結(jié)構(gòu)可以有兩種。一種是把uC/OS II的任務(wù)堆棧設(shè)計(jì)成圖1所示的形式。這種方法是把編譯器默認(rèn)的壓棧操作放在前面，然后再把剩下的寄存器進(jìn)棧。但是，由于編譯器在處理復(fù)雜程度不同的中斷服務(wù)程序的時(shí)候，壓入棧的寄存器的數(shù)量不定，所以會(huì)對以后其余寄存器的壓棧和出棧操作增加復(fù)雜度。這里，我們采用了圖2所示的方式生成堆棧。在這種堆棧中，PC和SR壓棧后，通過調(diào)整SP指針，使得R4~R15寄存器覆蓋編譯器默認(rèn)壓棧的寄存器。這樣，處理的難度會(huì)小一點(diǎn)。