分析uC/OS-II在MSP430單片機(jī)芯片上實(shí)現(xiàn)RTOS的問題

MSP430系列單片機(jī)有6種不同的工作模式，都是通過對(duì)狀態(tài)寄存器SR的讀寫來實(shí)現(xiàn)的。在RTOS中，由于每個(gè)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(shí)現(xiàn)低功耗工作模式時(shí)更加靈活方便。首先，在設(shè)計(jì)每個(gè)任務(wù)時(shí)，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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)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(yùn)行完畢后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)任務(wù)使整個(gè)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(yùn)行時(shí)(如延時(shí)結(jié)束)，會(huì)自動(dòng)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(yùn)行中占用的RAM空間

影響RTOS在單片機(jī)上應(yīng)用的主要原因是由于在單片機(jī)上運(yùn)行RTOS需要占用一定的系統(tǒng)資源，如系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM、FLASH或ROM等，從而減少了應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)資源的利用。特別是對(duì)RAM的占用。一般而言，單片機(jī)上的內(nèi)部RAM數(shù)量都很少(如MSP430F148是整個(gè)MSP430中RAM最多的，也只有2  KB)，雖然可以通過外部擴(kuò)展來增加RAM數(shù)量，但這樣不僅增加了設(shè)計(jì)的難度和產(chǎn)品成本，而且有時(shí)還使系統(tǒng)應(yīng)用無法進(jìn)行擴(kuò)展。所以，最好的方法是能夠充分利用單片機(jī)的內(nèi)部RAM來運(yùn)行RTOS。

通過分析uC/OS-II對(duì)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(jì)uC/OS-II時(shí)，要給每個(gè)任務(wù)都分配一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)堆棧。特別在單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)沒有將中斷堆棧與任務(wù)堆棧分開時(shí)，計(jì)算任務(wù)堆棧的大小時(shí)不僅要計(jì)算任務(wù)中變量和函數(shù)嵌套所使用的RAM大小，還必須計(jì)算該任務(wù)在運(yùn)行時(shí)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(gè)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(fèi)。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(jì)算任務(wù)堆棧的大小時(shí)，只需計(jì)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(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生中斷都只使用它。設(shè)計(jì)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(shí)中斷堆棧指針要時(shí)刻保持與SP的同步變化。

為了達(dá)到這個(gè)目的，單片機(jī)芯片必須具備以下2個(gè)條件。

首先，單片機(jī)芯片必須有一個(gè)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(shí)現(xiàn)軟堆棧。在MSP430系列單片機(jī)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(shí)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(shí)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?yàn)?，此時(shí)的R4必須時(shí)刻保持在中斷堆棧的頂部，如果改變它的值，就會(huì)改變中斷堆棧的結(jié)構(gòu)。一般這個(gè)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(gè)選項(xiàng)可以避免使用R4和/或R5。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/uC/OS-II">uC/OS-II每個(gè)任務(wù)的TCB(任務(wù)控制塊)結(jié)構(gòu)中加入以下幾項(xiàng)：

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(gè)普通任務(wù)1在執(zhí)行過程發(fā)生中斷，對(duì)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(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中沒有激活更高優(yōu)先級(jí)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(shí)的堆棧使用

開始中斷：將在中斷發(fā)生時(shí)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(shí)  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(shí)將FromInt標(biāo)志置l。

退出中斷：由于沒有激活更高優(yōu)先級(jí)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(yùn)行。

(2)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)2。中斷結(jié)束時(shí)由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度去執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)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(shí)，任務(wù)調(diào)度器會(huì)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(jí)的任務(wù)，那么按照優(yōu)先級(jí)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(yùn)行。

(3)在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)2，執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷。

由于uC/OS-II是嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)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(jí)一定比狀態(tài)保存在它下面的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高。在執(zhí)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)2。在執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷，在中斷過程中任務(wù)2由于等待信號(hào)量而被掛起。

這種情況在系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)被禁止，在中斷中不允許使用信號(hào)量將中斷掛起。

(5)  在普通任務(wù)1運(yùn)行時(shí)引發(fā)中斷，在中斷中激活更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)2。在執(zhí)行任務(wù)2時(shí)又發(fā)生中斷，中斷中激活更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)3。中斷結(jié)束時(shí)由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度去執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)3。

這種情況與討論的情況2是一樣的。