基于AVR單片機的嵌入式系統(tǒng)的應用分析

引言

　　隨著技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設計及應用對人們的生活產(chǎn)生了很大的影響，并將逐漸改變?nèi)藗兾磥淼纳罘绞?，在特定的操?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)上開發(fā)應用程序，可以使開發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細節(jié)，使得應用程序調(diào)試更方便、易于維護、開發(fā)周期縮短并且降低開發(fā)成本，因而嵌入式操作系統(tǒng)深得開發(fā)人員的青睞。

　　AVR微處理器是Atmel公司開發(fā)的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優(yōu)點，而且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨立編址，并具有獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)。AVR單片機內(nèi)核有豐富的指令集，通過32個通用寄存器直接與邏輯運算單元相連接，允許在一個周期內(nèi)一條單一指令訪問兩個獨立的寄存器，這樣的結(jié)構(gòu)使代碼的執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的復雜指令集微處理器快了將近10倍。

　　AVRX是由1barello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，它專門針對AVR系列單片機的RTOS，具有免費和可以修改的特點，它的缺點是由于做為一種專用的操作系統(tǒng)很難移植到其他平臺上。

1 AVRX 系統(tǒng)的特點

　　AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點：

◆ 完全支持占先式、優(yōu)先級驅(qū)動的任務調(diào)度算法；

◆ 16個優(yōu)先級，相同的優(yōu)先級的任務采用Round robin調(diào)度算法輪流執(zhí)行；

◆ 信號量可以用于信號傳遞、同步和互斥信號量，支持阻塞和非阻塞語法；

◆ 任務之間可以用消息隊列相互傳遞信息，接收和確認消息可以用阻塞和非阻塞調(diào)用；

◆ 在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務程序可以使用；

◆ 支持單個定時器的時間隊列管理，任何進程都可以設置一個定時器，并且任何一個任務都可以等待定時器時間到；

◆ 支持單步調(diào)式運行著的進程；

◆ 程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節(jié)；

◆ 與定時器/計算器有關的一些事務可以用AVRX寫成任務級代碼。

1.1 任務

　　AVRX2.6為了支持C語言，保存了所有的32個寄存器，最小的上下文是32個寄存器、SREG和PC，總共35個字節(jié)。AvrXInitTask（）函數(shù)給所有的寄存器初始化為0x00；只有進程上下文保存在任務堆棧中，所有其他的使用（包括內(nèi)核和中斷）保存在內(nèi)核堆棧。這樣降低了第一個中斷的上下文切換和進入內(nèi)核API的SRAM消耗。隨后的中斷（如果允許中斷嵌套）嵌入內(nèi)核堆棧，API不進行上下文切換。

1.2 信號量

　　信號量是SRAM指針，它們有三中狀態(tài)：PEND、WAITING和DONE。當一個進程被一個信號量阻塞時，它處于WAITING狀態(tài)，多個任務可以排隊等候一個信號量。在后一種情況下，信號量可以看作互斥信號量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntSetSemaphore、AvrXWaitSemaphore、AvrXtestSemaphore、AvrXIntTestSemaphore和AvrXResetSemaphore。

1.3 定時器

　　定時器控制塊（TCB）長度為4（或6）個字節(jié)。它們管理一個16位計數(shù)值。定時器隊列管理器管理一個分類的定時器隊列，每個都調(diào)整為所有計數(shù)器的和到其延時需要的值。提供的API函數(shù)如下：AvrXStartTimer、AvrXTimerHandler、AvrXCancelTimer、AvrXWaitTimer、AvrXTestTimer和AvrXDelay。

1.4 消息隊列

　　消息隊列用消息控制塊（MCB）做為隊列首地址。任何進程、中斷處理函數(shù)和多個進程都可以等待消息。MCB的長度是2或4個字節(jié)。消息可以認為是靈活性更大的信號量。提供的API函數(shù)如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMessage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWaitMessageAck。

1.5 單步運行支持

　　通過重新匯編內(nèi)核AVRX，可以允許和禁止單步運行的支持。單步運行可以通過編譯內(nèi)核庫時定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。

　　在能夠單步運行以前，進程必須先暫停。有兩種方法實現(xiàn)：一是僅僅初始化進程但不使能；二是用目標進程的ID調(diào)用AvrXSuspend，一旦目標進程掛起，調(diào)試SPI就能使用了，提供的API函數(shù)有：AvrXStepNext和AvrXSingleStepNext。

1.6 系統(tǒng)對象

　　AVRX是圍繞系統(tǒng)對象的概念而構(gòu)建的，系統(tǒng)對象包括一個鏈接和其后面的0個或者若干個字節(jié)的數(shù)據(jù)信號量。進程對象可以根據(jù)運行隊列和信號量排隊。計數(shù)器控制塊只能根據(jù)計數(shù)器隊列排隊。消息控制塊只能在消息隊列排隊。進程根據(jù)嵌入對象的信號量等待這些對象。

　　進程堆棧中可用的SRAM是限制系統(tǒng)規(guī)模的主要因素，每個進程都需要至少10～35字節(jié)的空間來存儲進程上下文。提供的API函數(shù)如下：AvrXSetObjectSamaphore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObjectSamaphore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSamaphore和AvrXIntTestObjectSamaphore。

1.7 系統(tǒng)堆棧

　　AVRX需要足夠大的堆棧來處理所有可能的中斷嵌套，每次進入內(nèi)核將會把10～35字節(jié)壓進堆棧（標準上下文和返回地址），中斷處理可能壓進去更多。AVRX的API會臨時壓入2個以上的字節(jié)。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內(nèi)是設計者的工作。

2 AVRX系統(tǒng)的應用

2.1 AVRX在不同型號AVR單片機上的移植

　　下面以ATmega16為例，介紹移植工作。

（1）編譯器的選擇

　　由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR－GCC編譯器下編寫的，所以選用AVR－GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機上的移植特性。

（2）重新編譯AVRX內(nèi)核

　　為了將應用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內(nèi)核，重新編譯包括下述步驟。

　　①重新修改AVRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：