分析uC/OS-II在MSP430單片機芯片上實現(xiàn)RTOS的問題

MSP430系列單片機有6種不同的工作模式，都是通過對狀態(tài)寄存器SR的讀寫來實現(xiàn)的。在RTOS中，由于每個任務(wù)都可以分別保存自己的狀態(tài)，包括狀態(tài)寄存器，所以在實現(xiàn)低功耗工作模式時更加靈活方便。首先，在設(shè)計每個任務(wù)時，都可以根據(jù)任務(wù)的具體要求定義它的工作模式。其次，在整個系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計一個最低優(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)都運行完畢后，系統(tǒng)會調(diào)用這個任務(wù)使整個系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式。當(dāng)其它任務(wù)又恢復(fù)運行時(如延時結(jié)束)，會自動進(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在運行中占用的RAM空間

影響RTOS在單片機上應(yīng)用的主要原因是由于在單片機上運行RTOS需要占用一定的系統(tǒng)資源，如系統(tǒng)時鐘、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，單片機上的內(nèi)部RAM數(shù)量都很少(如MSP430F148是整個MSP430中RAM最多的，也只有2  KB)，雖然可以通過外部擴展來增加RAM數(shù)量，但這樣不僅增加了設(shè)計的難度和產(chǎn)品成本，而且有時還使系統(tǒng)應(yīng)用無法進(jìn)行擴展。所以，最好的方法是能夠充分利用單片機的內(nèi)部RAM來運行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uC/OS-II時，要給每個任務(wù)都分配一個單獨的任務(wù)堆棧。特別在單片機的硬件設(shè)計沒有將中斷堆棧與任務(wù)堆棧分開時，計算任務(wù)堆棧的大小時不僅要計算任務(wù)中變量和函數(shù)嵌套所使用的RAM大小，還必須計算該任務(wù)在運行時發(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。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，使得在計算任務(wù)堆棧的大小時，只需計算任務(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，任何一個任務(wù)運行時發(fā)生中斷都只使用它。設(shè)計的原則：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，即中斷時中斷堆棧指針要時刻保持與SP的同步變化。

為了達(dá)到這個目的，單片機芯片必須具備以下2個條件。

首先，單片機芯片必須有一個通用寄存器和相應(yīng)的指令能夠模仿堆棧指針SP的功能，即能實現(xiàn)軟堆棧。在MSP430系列單片機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。因為，此時的R4必須時刻保持在中斷堆棧的頂部，如果改變它的值，就會改變中斷堆棧的結(jié)構(gòu)。一般這個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，有一個選項可以避免使用R4和/或R5。

具體設(shè)計時，我們在uC/OS-II每個任務(wù)的TCB(任務(wù)控制塊)結(jié)構(gòu)中加入以下幾項：

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運行時引發(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。

圖2 情況1時的堆棧使用

開始中斷：將在中斷發(fā)生時保存在當(dāng)前任務(wù)堆棧的SR和PC移到中斷堆棧中保存，同時  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)程序運行。

(2)在普通任務(wù)1運行時引發(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，任務(wù)調(diào)度器會將任務(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)運行。

(3)在普通任務(wù)1運行時引發(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，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運行時引發(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)計時已經(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運行時引發(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。