原创 建立一个属于自己的AVR的RTOS(第八篇:占先式内核(完善的服务))

第八篇:占先式内核(完善的服务) 

    如果将前面所提到的占先式内核和协作式内核组合在一起，很容易就可以得到一个功能较为完善的占先式内核，它的功能有：
    1,挂起和恢复任务
    2,任务延时
    3,信号量(包括共享型和独占型)
    另外，在本例中，在各个任务中加入了从串口发送任务状态的功能。
    

#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <avr/signal.h>
unsigned char Stack[400];

register unsigned char OSRdyTbl          asm("r2");    //任务运行就绪表
register unsigned char OSTaskRunningPrio asm("r3");    //正在运行的任务
register unsigned char IntNum            asm("r4");     //中断嵌套计数器
//只有当中断嵌套数为0，并且有中断要求时，才能在退出中断时，进行任务调度
register unsigned char OSCoreState       asm("r16"); // 系统核心标志位 ,R16 编译器没有使用
//只有大于R15的寄存器才能直接赋值 例LDI R16,0x01
//0x01 正在任务 切换  0x02 有中断要求切换

#define OS_TASKS 3                    //设定运行任务的数量
struct TaskCtrBlock
{
  unsigned int OSTaskStackTop;  //保存任务的堆栈顶
  unsigned int OSWaitTick;      //任务延时时钟
} TCB[OS_TASKS+1];

//防止被编译器占用
//register unsigned char tempR4  asm("r4");
register unsigned char tempR5  asm("r5");
register unsigned char tempR6  asm("r6");
register unsigned char tempR7  asm("r7");
register unsigned char tempR8  asm("r8");
register unsigned char tempR9  asm("r9");
register unsigned char tempR10 asm("r10");
register unsigned char tempR11 asm("r11");
register unsigned char tempR12 asm("r12");
register unsigned char tempR13 asm("r13");
register unsigned char tempR14 asm("r14");
register unsigned char tempR15 asm("r15");
//register unsigned char tempR16 asm("r16");
register unsigned char tempR16 asm("r17");


//建立任务
void OSTaskCreate(void (*Task)(void),unsigned char *Stack,unsigned char TaskID)
{
  unsigned char i;                     
  *Stack--=(unsigned int)Task>>8;    //将任务的地址高位压入堆栈，
  *Stack--=(unsigned int)Task;         //将任务的地址低位压入堆栈，
    
  *Stack--=0x00;                     //R1 __zero_reg__            
  *Stack--=0x00;                     //R0 __tmp_reg__
  *Stack--=0x80;                                        

//SREG 在任务中，开启全局中断        
  for(i=0;i<14;i++)    //在 avr-libc 中的 FAQ中的 What registers are used by the C compiler?
    *Stack--=i;                    //描述了寄存器的作用    
  TCB[TaskID].OSTaskStackTop=(unsigned int)Stack;    //将人工堆栈的栈顶，保存到堆栈的数组中
  OSRdyTbl|=0x01<<TaskID;      //任务就绪表已经准备好
}

//开始任务调度,从最低优先级的任务的开始
void OSStartTask()        
{
  OSTaskRunningPrio=OS_TASKS;
  SP=TCB[OS_TASKS].OSTaskStackTop+17;
  __asm__ __volatile__(    "reti"       "
\t"  ); 
}

//进行任务调度
void OSSched(void)
{ 

  __asm__ __volatile__("LDI  R16,0x01             
\t");  
  //清除中断要求任务切换的标志位,设置正在任务切换标志位
  __asm__ __volatile__("SEI                       
\t");      
  //开中断,因为如果因中断在任务调度中进行,要重新进行调度时，已经关中断
   //  根据中断时保存寄存器的次序入栈，模拟一次中断后，入栈的情况  
  __asm__ __volatile__("PUSH __zero_reg__         
\t");  //R1
  __asm__ __volatile__("PUSH __tmp_reg__          
\t");  //R0 
  __asm__ __volatile__("IN   __tmp_reg__,__SREG__ 
\t");  //保存状态寄存器SREG
  __asm__ __volatile__("PUSH __tmp_reg__          
\t");
  __asm__ __volatile__("CLR  __zero_reg__         
\t");  //R0重新清零
  __asm__ __volatile__("PUSH R18                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R19                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R20                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R21                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R22                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R23                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R24                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R25                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R26                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R27                  
\t");
  __asm__ __volatile__("PUSH R30                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("PUSH R31                  
\t");
    
  __asm__ __volatile__("Int_OSSched:              
\t");  //当中断要求调度，直接进入这里
  __asm__ __volatile__("SEI                       
\t"); 
    //开中断,因为如果因中断在任务调度中进行，已经关中断 
  __asm__ __volatile__("PUSH R28                  
\t");  //R28与R29用于建立在堆栈上的指针
  __asm__ __volatile__("PUSH R29                  
\t");  //入栈完成
    
  TCB[OSTaskRunningPrio].OSTaskStackTop=SP;           //将正在运行的任务的堆栈底保存

  unsigned char OSNextTaskPrio;                            //在现有堆栈上开设新的空间 
  for (OSNextTaskPrio = 0;                                 //进行任务调度
    OSNextTaskPrio < OS_TASKS && !(OSRdyTbl & (0x01<<OSNextTaskPrio)); 
    OSNextTaskPrio++);
    OSTaskRunningPrio = OSNextTaskPrio ;

  cli();  //保护堆栈转换
  SP=TCB[OSTaskRunningPrio].OSTaskStackTop;
  sei();
    
  //根据中断时的出栈次序    
  __asm__ __volatile__("POP  R29                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R28                  
\t");        
  __asm__ __volatile__("POP  R31                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R30                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R27                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R26                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R25                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R24                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R23                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R22                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R21                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R20                  
\t");    
  __asm__ __volatile__("POP  R19                  
\t");
  __asm__ __volatile__("POP  R18                  
\t");
  __asm__ __volatile__("POP  __tmp_reg__          
\t");      //SERG 出栈并恢复
  __asm__ __volatile__("OUT  __SREG__,__tmp_reg__ 
\t");      //
  __asm__ __volatile__("POP  __tmp_reg__          
\t");      //R0 出栈
  __asm__ __volatile__("POP  __zero_reg__         
\t");      //R1 出栈
  //中断时出栈完成
  __asm__ __volatile__("CLI                       
\t");  //关中断    
  __asm__ __volatile__("SBRC R16,1                
\t");  //SBRC当寄存器位为0刚跳过下一条指令
  //检查是在调度时，是否有中断要求任务调度 0x02是中断要求调度的标志位
  __asm__ __volatile__("RJMP OSSched              
\t");  //重新调度
  __asm__ __volatile__("LDI  R16,0x00             
\t");  
  //清除中断要求任务切换的标志位,清除正在任务切换标志位
  __asm__ __volatile__("RETI                      
\t");     //返回并开中断
}


//从中断退出并进行调度
void IntSwitch(void)
{    
  //当中断无嵌套，并且没有在切换任务的过程中，直接进行任务切换
  if(OSCoreState == 0x02 && IntNum==0) 
  {
    //进入中断时，已经保存了SREG和R0,R1,R18~R27,R30,R31
    __asm__ __volatile__("POP  R31                  
\t");  //去除因调用子程序而入栈的PC
    __asm__ __volatile__("POP  R31                  
\t");
    __asm__ __volatile__("LDI  R16,0x01             
\t");  
    //清除中断要求任务切换的标志位,设置正在任务切换标志位
    __asm__ __volatile__("RJMP Int_OSSched          
\t");  //重新调度
  }
}
////////////////////////////////////////////任务处理
//挂起任务
void OSTaskSuspend(unsigned char prio) 
{
  TCB[prio].OSWaitTick=0;
  OSRdyTbl &= ~(0x01<<prio); //从任务就绪表上去除标志位
  if(OSTaskRunningPrio==prio)  //当要挂起的任务为当前任务
    OSSched();               //从新调度
}

//恢复任务 可以让被OSTaskSuspend或 OSTimeDly暂停的任务恢复
void OSTaskResume(unsigned char prio)
{
  OSRdyTbl |= 0x01<<prio;    //从任务就绪表上重置标志位
    TCB[prio].OSWaitTick=0;        //将时间计时设为0,到时
  if(OSTaskRunningPrio>prio)   //当要当前任务的优先级低于重置位的任务的优先级
    OSSched();               //从新调度              //从新调度
}

// 任务延时
void OSTimeDly(unsigned int ticks)
{
  if(ticks)                             //当延时有效
  {
    OSRdyTbl &= ~(0x01<<OSTaskRunningPrio);         
    TCB[OSTaskRunningPrio].OSWaitTick=ticks;
    OSSched();                          //从新调度
  }
}


//信号量
struct SemBlk
{
  unsigned char OSEventType;     //型号 0,信号量独占型；1信号量共享型 
  unsigned char OSEventState;    //状态 0,不可用;1,可用
  unsigned char OSTaskPendTbl;   //等待信号量的任务列表
} Sem[10];

//初始化信号量
void OSSemCreat(unsigned char Index,unsigned char Type)
{
  Sem[Index].OSEventType=Type;  //型号 0,信号量独占型；1信号量共享型 
  Sem[Index].OSTaskPendTbl=0;
  Sem[Index].OSEventState=0;
}

//任务等待信号量,挂起
//当Timeout==0xffff时，为无限延时
unsigned char OSTaskSemPend(unsigned char Index,unsigned int Timeout)
{

  //unsigned char i=0;
  if(Sem[Index].OSEventState)                      //信号量有效
  { 
    if(Sem[Index].OSEventType==0)                  //如果为独占型
    Sem[Index].OSEventState = 0x00;                //信号量被独占，不可用
  }
  else
  {                                                //加入信号的任务等待表
    Sem[Index].OSTaskPendTbl |= 0x01<<OSTaskRunningPrio; 
    TCB[OSTaskRunningPrio].OSWaitTick=Timeout;    //如延时为0，刚无限等待
    OSRdyTbl &= ~(0x01<<OSTaskRunningPrio);       //从任务就绪表中去除    
    OSSched();   //从新调度
    if(TCB[OSTaskRunningPrio].OSWaitTick==0 )     //超时，未能拿到资源
          return 0;        
  }
  return 1;
}



//发送一个信号量，可以从任务或中断发送
void OSSemPost(unsigned char Index)
{
if(Sem[Index].OSEventType)                //当要求的信号量是共享型
  {
    Sem[Index].OSEventState=0x01;           //使信号量有效
    OSRdyTbl |=Sem [Index].OSTaskPendTbl;   //使在等待该信号的所有任务就绪
    Sem[Index].OSTaskPendTbl=0;             //清空所有等待该信号的等待任务
  }  
  else                                       //当要求的信号量为独占型
  {      
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < OS_TASKS && !(Sem[Index].OSTaskPendTbl & (0x01<<i));  i++);
    if(i < OS_TASKS)                       //如果有任务需要
    {
      Sem[Index].OSTaskPendTbl &= ~(0x01<<i); //从等待表中去除
      OSRdyTbl |= 0x01<<i;                     //任务就绪
    }
    else
    {
      Sem[Index].OSEventState =1;        //使信号量有效
    }
  }
}

//从任务发送一个信号量，并进行调度
void OSTaskSemPost(unsigned char Index) 
{
  OSSemPost(Index);
  OSSched();   
}

//清除一个信号量,只对共享型的有用。
//对于独占型的信号量，在任务占用后，就交得不可以用了。 

void OSSemClean(unsigned char Index)
{
  Sem[Index].OSEventState =0;          //要求的信号量无效
}



void TCN0Init(void)    // 计时器0
{
  TCCR0 = 0;
  TCCR0 |= (1<<CS02);  // 256预分频
  TIMSK |= (1<<TOIE0); // T0溢出中断允许                  
  TCNT0 = 100;         // 置计数起始值
    
}

SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)
{
  IntNum++;     //中断嵌套+1
  sei();  //在中断中，重开中断
    
  unsigned char i;
  for(i=0;i<OS_TASKS;i++)        //任务时钟
  {
    if(TCB.OSWaitTick && TCB.OSWaitTick!=0xffff) 
    {
      TCB.OSWaitTick--;
      if(TCB.OSWaitTick==0)         //当任务时钟到时,必须是由定时器减时的才行
      {  
        OSRdyTbl |= (0x01<<i);         //使任务可以重新运行
        OSCoreState|=0x02;         //要求任务切换的标志位
      }
    }
  }
  TCNT0=100;
  cli();
  IntNum--;               //中断嵌套-1
  IntSwitch();         //进行任务调度
}


unsigned char __attribute__ ((progmem)) proStrA[]="Task                       ";

unsigned char strA[20];

SIGNAL(SIG_UART_RECV)        //串口接收中断
{
  strA[0]=UDR;
}


/////////////////////////////////////串口发送

unsigned char *pstr_UART_Send;
unsigned int  nUART_Sending=0;

void UART_Send(unsigned char *Res,unsigned int Len)    //发送字符串数组
{
  if(Len>0)
  {
    pstr_UART_Send=Res;    //发送字串的指针
    nUART_Sending=Len;    //发送字串的长度
    UCSRB=0xB8;                    //发送中断使能
  }
}


//SIGNAL 在中断期间，其它中断禁止

SIGNAL(SIG_UART_DATA)       //串口发送数据中断
{

  IntNum++;     //中断嵌套+1,不充许中断

  if(nUART_Sending)                    //如果未发完
  {
    UDR=*pstr_UART_Send;        //发送字节
    pstr_UART_Send++;                //发送字串的指针加1
    nUART_Sending--;                //等待发送的字串数减1
  }
  if(nUART_Sending==0)            //当已经发送完
  {    
    OSSemPost(0);
    OSCoreState|=0x02;      //要求任务切换的标志位
    UCSRB=0x98;    
  }
  cli();                        //关发送中断
  IntNum--;    
  IntSwitch(); //进行任务调度
}


void UARTInit()    //初始化串口
{
#define fosc 8000000 //晶振8  MHZ UBRRL=(fosc/16/(baud+1))%256;
#define baud 9600     //波特率
  OSCCAL=0x97;          //串口波特率校正值，从编程器中读出
  //UCSRB=(1<<RXEN)|(1<<TXEN);//允许发送和接收
  UCSRB=0x98;
  //UCSRB=0x08;
  UBRRL=(fosc/16/(baud+1))%256;
  UBRRH=(fosc/16/(baud+1))/256;
  UCSRC=(1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);//8位数据+1位STOP位
  UCSRB=0xB8;
  UDR=0;
}


//打印unsigned int 到字符串中 00000
void strPUT_uInt(unsigned char *Des,unsigned int i)
{
  unsigned char j;
  Des=Des+4;
  for(j=0;j<5;j++)
  {
    *Des=i%10+'0';
    i=i/10;
    Des--;
  }
}

void strPUT_Star(unsigned char *Des,unsigned char i)
{
  unsigned char j;
  for(j=0;j<i;j++)
  {
    *Des++='*';
  }
  *Des++=13;
}

unsigned int strPUT_TaskState(unsigned char *Des,
                              unsigned char TaskID,
                  unsigned char Num)
{
  //unsigned int i=0;
  *(Des+4)='0'+TaskID;
  strPUT_uInt(Des+6,Num);
  strPUT_Star(Des+12,TaskID);
  return 12+TaskID+1;
}

void Task0()
{
  unsigned int j=0;
  while(1)
  {            
    PORTB=j++;            
    if(OSTaskSemPend(0,0xffff))
    {
      unsigned int m;
      m=strPUT_TaskState(strA,OSTaskRunningPrio,j);
      UART_Send(strA,m);
    }
    OSTimeDly(200);
  }
}

void Task1()
{
  unsigned int j=0;
  while(1)
  {
    PORTC=j++;
    if(OSTaskSemPend(0,0xffff))
    {
      unsigned int m;
      m=strPUT_TaskState(strA,OSTaskRunningPrio,j);
      UART_Send(strA,m);
    }
    OSTimeDly(100);
  }
}

void Task2()
{
  unsigned int j=0;
  while(1)
  {
    if(OSTaskSemPend(0,0xffff))
    {
      unsigned int m;
      m=strPUT_TaskState(strA,OSTaskRunningPrio,j);
      UART_Send(strA,m);
    }
    PORTD=j++; 
    OSTimeDly(50);  
  }
}



void TaskScheduler()
{ 
  OSSched(); 
  while(1)
  {        
  }
}


int main(void)
{        
  strlcpy_P(strA,proStrA,20);
  UARTInit();
  TCN0Init();

  OSRdyTbl=0;
  IntNum=0;
  OSTaskCreate(Task0,&Stack[99],0);
  OSTaskCreate(Task1,&Stack[199],1);
  OSTaskCreate(Task2,&Stack[299],2);
  OSTaskCreate(TaskScheduler,&Stack[399],OS_TASKS);
  OSStartTask();
}






结束语 

                             结束语
    本文中的例子，基本上用WinAVR和 Proteus调试仿真成功，一定可能存在某些方面的缺陷,因为工作上时间的压力，就没有进一步查找。
    但我相信，大家通过学习，会一步步了解一个内核的具体实现形式，慢慢完善，并且最终写出一个属于自己的内核。
    当掌握一定的基本知识后，再回头看看 UCOSII和small rots51等，可能会有更深的体会，对进一步了解嵌入式系统和操作系统，条理会更加明析。希望本文能帮助大家做到这一点。
    希望大家能够提出自己宝贵的意见，我会进行阶段性的总结，并尽可能地不断改进。
    牛顿曾说过，“我能够看得更远，是因为站在巨人的肩膀上。”
    希望大家都能出一份力，推动我们的嵌入式的事业的进一步发展。
                                                                                          2006年1月14日 
 
注：本文原出处为21ic<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />