建立一個屬于自己的AVR的RTOS
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自從03年以來，對單片機(jī)的RTOS的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的熱潮可謂一浪高過一浪.03年，在離開校園前的，非典的那幾個月，在華師的后門那里買了本邵貝貝的《UCOSII》，通讀了幾次，沒有實(shí)驗(yàn)器材，也不了了之。
在21IC上，大家都可以看到楊屹寫的關(guān)于UCOSII在51上的移植，于是掀起了51上的RTOS的熱潮。
再后來，陳明計先生推出的smallrots，展示了一個用在51上的微內(nèi)核，足以在52上進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。
前段時間，在ouravr上面開有專門關(guān)于AVR的Rtos的專欄，并且不少的兄弟把自己的作品拿出來，著實(shí)開了不少眼界。這時，我重新回顧了使用單片機(jī)的經(jīng)歷，覺得很有必要，從根本上對單片機(jī)的RTOS的知識進(jìn)行整理，于是，我開始了編寫一個用在AVR單片機(jī)的RTOS。
當(dāng)時，我所有的知識和資源有：
Proteus6.7可以用來模擬仿真avr系列的單片機(jī)
WinAVRv2.0.5.48基于GCCAVR的編譯環(huán)境，好處在于可以在C語言中插入asm的語句
mega81K的ram有8K的rom,是開發(fā)8位的RTOS的一個理想的器件，并且我對它也比較熟悉。
寫UCOS的JeanJ.Labrosse在他的書上有這樣一句話，“漸漸地，我自然會想到，寫個實(shí)時內(nèi)核直有那么難嗎？不就是不斷地保存，恢復(fù)CPU的那些寄存器嘛。”
好了，當(dāng)這一切準(zhǔn)備好后，我們就可以開始我們的Rtosformega8的實(shí)驗(yàn)之旅了。
本文列出的例子，全部完整可用。只需要一個文件就可以編譯了。我相信，只要適當(dāng)可用，最簡單的就是最好的，這樣可以排除一些不必要的干擾，讓大家專注到每一個過程的學(xué)習(xí)。
第一篇：函數(shù)的運(yùn)行
在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中，是以前后臺的方式(大循環(huán)+中斷)來處理數(shù)據(jù)和作出反應(yīng)的。
例子如下:
makefile的設(shè)定:運(yùn)行WinAvr中的Mfile，設(shè)定如下
MCUType:mega8
Optimizationlevel:s
Debugformat:AVR-COFF
C/C++sourcefile:選譯要編譯的C文件
#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}
intmain(void)
{
fun1();
}
首先，提出一個問題：如果要調(diào)用一個函數(shù)，真是只能以上面的方式進(jìn)行嗎？
相信學(xué)習(xí)過C語言的各位會回答，No!我們還有一種方式，就是“用函數(shù)指針變量調(diào)用函數(shù)”，如果大家都和我一樣，當(dāng)初的教科書是譚浩強(qiáng)先生的《C程序設(shè)計》的話，請找回書的第9.5節(jié)。
例子：用函數(shù)指針變量調(diào)用函數(shù)
#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}
void(*pfun)();//指向函數(shù)的指針
intmain(void)
{
pfun=fun1;//
(*pfun)();//運(yùn)行指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)
}
第二種，是“把指向函數(shù)的指針變量作函數(shù)參數(shù)”
#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}
voidRunFun(void(*pfun)())//獲得了要傳遞的函數(shù)的地址
{
(*pfun)();//在RunFun中，運(yùn)行指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)
}
intmain(void)
{
RunFun(fun1);//將函數(shù)的指針作為變量傳遞
}
看到上面的兩種方式，很多人可能會說，“這的確不錯”，但是這樣與我們想要的RTOS，有什么關(guān)系呢？各位請細(xì)心向下看。
以下是GCC對上面的代碼的編譯的情況：
對main()中的RunFun(fun1);的編譯如下
ldir24,lo8(pm(fun1))
ldir25,hi8(pm(fun1))
rcallRunFun
對voidRunFun(void(*pfun)())的編譯如下
/*voidRunFun(void(*pfun)())*/
/*(*pfun)();*/
.LM6:
movwr30,r24
icall
ret
在調(diào)用voidRunFun(void(*pfun)())的時候，的確可以把fun1的地址通過r24和r25傳遞給RunFun()。但是，RTOS如何才能有效地利用函數(shù)的地址呢？
第二篇：人工堆棧
在單片機(jī)的指令集中，一類指令是專門與堆棧和PC指針打道的，它們是
rcall相對調(diào)用子程序指令
icall間接調(diào)用子程序指令
ret子程序返回指令
reti中斷返回指令
對于ret和reti，它們都可以將堆棧棧頂?shù)膬蓚€字節(jié)被彈出來送入程序計數(shù)器PC中，一般用來從子程序或中斷中退出。其中reti還可以在退出中斷時，重開全局中斷使能。
有了這個基礎(chǔ)，就可以建立我們的人工堆棧了。
例：
#includeavr/io.h>
voidfun1(void)
{
unsignedchari=0;
while(1)
{
PORTB=i++;
PORTC=0x01(i%8);
}
}
unsignedcharStack[100];//建立一個100字節(jié)的人工堆棧
voidRunFunInNewStack(void(*pfun)(),unsignedchar*pStack)
{
*pStack--=(unsignedint)pfun>>8;//將函數(shù)的地址高位壓入堆棧，
*pStack--=(unsignedint)pfun;//將函數(shù)的地址低位壓入堆棧，
SP=pStack;//將堆棧指針指向人工堆棧的棧頂
__asm____volatile__(RETnt);//返回并開中斷,開始運(yùn)行fun1()
}
intmain(void)
{
RunFunInNewStack(fun1,Stack[99]);
}
RunFunInNewStack(),將指向函數(shù)的指針的值保存到一個unsignedchar的數(shù)組Stack中，作為人工堆棧。并且將棧頂?shù)臄?shù)值傳遞組堆棧指針SP,因此當(dāng)用ret返回時，從SP中恢復(fù)到PC中的值，就變?yōu)榱酥赶騠un1()的地址，開始運(yùn)行fun1().
上面例子中在RunFunInNewStack()的最后一句嵌入了匯編代碼ret,實(shí)際上是可以去除的。因?yàn)樵赗unFunInNewStack()返回時，編譯器已經(jīng)會加上ret。我特意寫出來，是為了讓大家看到用ret作為返回后運(yùn)行fun1()的過程。
第三篇：GCC中對寄存器的分配與使用
在很多用于AVR的RTOS中，都會有任務(wù)調(diào)度時，插入以下的語句：
入棧：
__asm____volatile__(PUSHR0nt);
__asm____volatile__(PUSHR1nt);
......
__asm____volatile__(PUSHR31nt);
出棧
__asm____volatile__(POPR31nt);
......
__asm____volatile__(POPR1nt);
__asm____volatile__(POPR0nt);
通常大家都會認(rèn)為，在任務(wù)調(diào)度開始時，當(dāng)然要將所有的通用寄存器都保存，并且還應(yīng)該保存程序狀態(tài)寄存器SREG。然后再根據(jù)相反的次序，將新任務(wù)的寄存器的內(nèi)容恢復(fù)。
但是，事實(shí)真的是這樣嗎？如果大家看過陳明計先生寫的smallrots51,就會發(fā)現(xiàn)，它所保存的通用寄存器不過是4組通用寄存器中的1組。
在WinAVR中的幫助文件avr-libcManual中的RelatedPages中的FrequentlyAskedQuestions,其實(shí)有一個問題是WhatregistersareusedbytheCcompiler?回答了編譯器所需要占用的寄存器。一般情況下，編譯器會先用到以下寄存器
1Call-usedregisters(r18-r27,r30-r31):調(diào)用函數(shù)時作為參數(shù)傳遞，也就是用得最多的寄存器。
2Call-savedregisters(r2-r17,r28-r29):調(diào)用函數(shù)時作為結(jié)果傳遞,當(dāng)中的r28和r29可能會被作為指向堆棧上的變量的指針。
3Fixedregisters(r0,r1):固定作用。r0用于存放臨時數(shù)據(jù)，r1用于存放0。
還有另一個問題是Howtopermanentlybindavariabletoaregister?,是將變量綁定到通用寄存器的方法。而且我發(fā)現(xiàn)，如果將某個寄存器定義為變量，編譯器就會不將該寄存器分配作其它用途。這對RTOS是很重要的。
在InlineAsm中的CNamesUsedinAssemblerCode明確表示,如果將太多的通用寄存器定義為變量，剛在編譯的過程中，被定義的變量依然可能被編譯器占用。
大家可以比較以下兩個例子，看看編譯器產(chǎn)生的代碼：(在*.lst文件中)
第一個例子：沒有定義通用寄存器為變量
#includeavr/io.h>
unsignedcharadd(unsignedcharb,unsignedcharc,unsignedchard)
{
returnb+c*d;
}
intmain(void)
{
unsignedchara=0;
while(1)
{
a++;
PORTB=add(a,a,a);
}
}
在本例中，add(a,a,a);被編譯如下:
movr20,r28
movr22,r28
movr24,r28
rcalladd
第二個例子：定義通用寄存器為變量
#includeavr/io.h>
unsignedcharadd(unsignedcharb,unsignedcharc,unsignedchard)
{
returnb+c*d;
}
registerunsignedcharaasm(r20);//將r20定義為變量a
intmain(void)
{
while(1)
{
a++;
PORTB=add(a,a,a);
}
}
在本例中，add(a,a,a);被編譯如下:
movr22,r20
movr24,r20
rcalladd
當(dāng)然，在上面兩個例子中，有部份代碼被編譯器優(yōu)化了。
通過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)編譯器一般使用如下寄存器:
第1類寄存器，第2類寄存器的r28,r29,第3類寄存器
如在中斷函數(shù)中有調(diào)用基它函數(shù)，剛會在進(jìn)入中斷后，固定地將第1類寄存器和第3類寄存器入棧，在退出中斷又將它們出棧。
第四篇：只有延時服務(wù)的協(xié)作式的內(nèi)核
CooperativeMultitasking
前后臺系統(tǒng)，協(xié)作式內(nèi)核系統(tǒng)，與占先式內(nèi)核系統(tǒng)，有什么不同呢？
記得在21IC上看過這樣的比喻,“你(小工)在用廁所，經(jīng)理在外面排第一，老板在外面排第二。如果是前后臺，不管是誰，都必須按排隊的次序使用廁所；如果是協(xié)作式，那么可以等你用完廁所，老板就要比經(jīng)理先進(jìn)入；如果是占先式，只要有更高級的人在外面等，那么廁所里無論是誰，都要第一時間讓出來，讓最高級別的人先用。”
#includeavr/io.h>
#includeavr/Interrupt.h>
#includeavr/signal.h>
unsignedcharStack[200];
registerunsignedcharOSRdyTblasm(r2);//任務(wù)運(yùn)行就緒表
registerunsignedcharOSTaskRunningPrioasm(r3);//正在運(yùn)行的任務(wù)
#defineOS_TASKS3//設(shè)定運(yùn)行任務(wù)的數(shù)量
structTaskCtrBlock//任務(wù)控制塊
{
unsignedintOSTaskStackTop;//保存任務(wù)的堆棧頂
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