原创 关于keilc51入出临界区的内嵌汇编

关于keilc51入出临界区的内嵌汇编

作者：杨屹
关键字/摘要：

关于keilc51入出临界区的内嵌汇编   
                                                                          

背景
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2004/02/18收到陈学章网友来信，报告ucos51的BUG，内容如下：
Wednesday, February 18, 2004 1:43 PM

> 在OS_CPU_A.ASM中的OSStartHighRdy函数中你注释
> “;上电后51自动关中断，此处不必用CLR EA指令,因为到此处还未开中断,本程序退出后,开中断.”
> 小弟感觉不妥，因为在系统调用OSInit（）时会自动创建一个优先级最低的系统任务，创建过程中会调用OS_EXIT_CRITICAL（）打开EA。

经查情况属实。当时移植的时候我也隐隐觉得有些不妥，但考虑到要用内嵌汇编等我不熟悉的技术时，感到困难太大（当时还有很多更重要的技术难点需要解决），就没有深入思考。后来，在调试ucos51shell程序时，发现按键不能及时显示在超级终端上，初步判断是由于在显示程序中使用了不合理的临界区保护代码，但当时没有解决。从现在分析来看，这两个问题都与临界区保护有关，实践的结果也确实如此。

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1.ucos51临界区BUG的保守解决方案
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ucos的作者给出两种临界区保护方案：
方法一：
执行这两个宏的第一个也是最简单的方法是在OS_ENTER_CRITICAL()中调用处理器指令来禁止中断，以及在OS_EXIT_CRITICAL()中调用允许中断指令。
缺点：在这个过程中还存在着小小的问题。如果用户在禁止中断的情况下调用μC/OS-Ⅱ函数，在从μC/OS-Ⅱ返回的时候，中断可能会变成是允许的了！如果用户禁止中断就表明用户想在从μC/OS-Ⅱ函数返回的时候中断还是禁止的。在这种情况下，光靠这种执行方法可能是不够的。嵌套调用OS_ENTER_CRITICAL()/OS_EXIT_CRITICAL()对时，会引发错误。
优点：(1)速度快；(2)避免关闭中断后调用PEND阻塞类API函数引起死机。

方法二：
执行OS_ENTER_CRITICAL()时先将中断禁止状态保存到堆栈中，然后禁止中断。而执行OS_EXIT_CRITICAL()时只是从堆栈中恢复中断状态。
缺点：(1)总指令周期长，速度慢；
(2)如果用户在中断禁止的时候调用μC/OS-Ⅱ服务，其实用户是在延长应用程序的中断响应时间。
(3)用户的应用程序还可以用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来保护代码的临界段。但是，用户在使用这种方法的时候还得十分小心，因为如果用户在调用象OSTimeDly()之类的服务之前就禁止中断，很有可能用户的应用程序会崩溃。发生这种情况的原因是任务被挂起直到时间期满，而中断是禁止的，因而用户不可能获得节拍中断！很明显，所有的PEND调用都会涉及到这个问题，用户得十分小心。一个通用的办法是用户应该在中断允许的情况下调用μC/OS-Ⅱ的系统服务！
优点：如果用这个方法的话，不管用户是在中断禁止还是允许的情况下调用μC/OS-Ⅱ服务，在整个调用过程中都不会改变中断状态。

结论：
哪种方法更好一点？这就得看用户想牺牲些什么。如果用户并不关心在调用μC/OS-Ⅱ服务后用户的应用程序中中断是否是允许的，那么用户应该选择第一种方法执行。如果用户想在调用μC/OS-Ⅱ服务过程中保持中断禁止状态，那么很明显用户应该选择第二种方法。

ucos书上给出的例子是基于PC机的，它运行的环境是Windows下的DOS仿真。由于此时CPU工作在保护模式，程序运行在V86模式，中断被Windows操作系统接管了，ucos无法实际关闭中断。而且在ucos启动前（OSStart），就有时钟中断存在。作者给出的ucos在DOS环境下的演示方案是：所有例子只提供一个时钟中断，没有其他任何IO中断存在，开关中断只影响tickISR，用户根本不用关心中断是否是允许的，用方法一或方法二入出临界区都可以。“用户必须在开始多任务调度后(即调用OSStart()后)允许时钟节拍中断。换句话说，就是用户应该在OSStart()运行后，μC/OS-Ⅱ启动运行的第一个任务中初始化节拍中断。通常所犯的错误是在调用OSInit()和OSStart()之间允许时钟节拍中断。”对此，作者给出的方案是，创建第一个任务TaskStart ，在这个任务里把ucos的tickISR挂接到硬时钟中断上，然后创建需要的各种任务，接下来死循环周期采样判断是否有按键退出。这样满足了允许时钟节拍中断的时机要求。
对于51上的ucos，由于有多个IO中断，OS_ENTER_CRITICAL()/OS_EXIT_CRITICAL()对有时嵌套调用，所以，我保守地建议使用第二种方法入出临界区。虽然执行速度慢，但稳定可靠。只要用户遵循“在中断允许的情况下调用μC/OS-Ⅱ的系统服务！”原则，就不会死机。
1。由于#pragma关键字不能出现在H头文件里，所以必须手工修改所有的OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()为“4.入出临界区标准代码”所示的样子。用户程序使用入出临界区保护代码时也需手工粘贴此代码，然后按“3.KEILC51内嵌汇编的方法”进行编译。虽然不如宏定义方便，但也不是很麻烦。

2。使用第二种方法，需要在OSIntCtxSw中调整SP指针去掉在调用OSIntExit(),OS_ENTER_CRITICAL(),OSIntCtxSw()过程中压入堆栈的多余内容（SP=SP-5，2+1+2），如下所示：
OS_CORE.C文件：51堆栈由下至上
OSIntExit //2字节返回地址
OS_ENTER_CRITICAL() //PUSH IE; 1字节
OSIntCtxSw() //2字节返回地址

3。上电后51自动关中断，在什么地方打开中断最合适呢？在OSStartHighRdy退出时SETB EA开中断最合适！
为了减少代码量，OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSStartHighRdy合用退出代码段，会不会有问题呢？不会！
任务切换只会发生在1、复位；2、tick中断；3、中断；4、系统API调用四个阶段。复位后打开中断，允许系统正常运行是必然的，在OSStartHighRdy退出时必须打开中断。如果是2、3情况引发的调度，中断本来就是打开的，OSIntCtxSw退出时打开中断毫无影响。按照“在中断允许的情况下调用μC/OS-Ⅱ的系统服务！”原则，用户必须在打开中断的情况下调用系统API，所以OSCtxSw退出时打开中断也毫无影响。虽然此时打开中断多此一举，浪费了代码空间和执行时间，但强制退出时开中断，可以稍微起到保护系统不死机的作用（例如：调用系统API前关中断的错误情况）。

通过上面三步，入出临界区的BUG得以完整解决，我仔细审查了一下，觉得这个思路比较严密，应该是比较健壮了，希望网友们继续提出意见和建议，让我们一起把它做得更完善。

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2.ucos51shell固化后显示不正常的解决方法
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显示函数（serial.c）在多任务环境下需要临界保护，因为共享同一个输出设备，资源是独占的，否则会出现混乱。比较好的方法是使用信号量互斥，但那样实在是太慢了，为了提高效率，一个简单的办法就是关中断（前提是关中断时间不能太长，以免影响中断响应时间）。
开关中断的方法如“4.入出临界区标准代码”所示，在需要保护的关键段两头粘贴此段代码，然后按照“3.KEILC51内嵌汇编的方法”所示编译即可。
详见ucos51shellv2代码。

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3.KEILC51内嵌汇编的方法
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有时在C51程序中需要嵌入一些汇编代码，这时当然可以用通常的作法：按照 C51 与汇编的接口写一个汇编函数，然后在 C51 程序中调用该函数。（此种方法可在论坛里搜索(www.c51bbs.com)，以前有很多帖子讲到，不再重复）
下面介绍直接嵌入汇编代码的方法：
1、在 C 文件中要嵌入汇编代码片以如下方式加入汇编代码：
#pragma ASM
; Assembler Code Here
#pragma ENDASM
例如：
#pragma ASM
PUSH IE;
CLR EA;
#pragma ENDASM
2、在 Project 窗口中包含汇编代码的 C 文件上单击右键，选择“Options for ...”，点击右边的“Generate Assembler SRC File”和“Assemble SRC File”，使检查框由灰色变成黑色（有效）状态；
3、根据选择的编译模式，把相应的库文件（如 Small 模式时，是 Keil\C51\Lib\C51S.Lib；Large 模式时，是 Keil\C51\Lib\C51L.Lib）加入工程中，该文件必须作为工程的最后文件（切记是放在最后位置）；
4、编译，即可生成目标代码。
问题解答：
问：为什么要把库文件加入工程？是BUG吗？
答：因为实际已经处于汇编连接，所以要加LIB。C连接是自动加的。
建议：
把SRC文件也加入项目中，不然连接的OBJ只是前次生成的。

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4.入出临界区标准代码
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入临界区时首先保存EA值，然后令EA=0关中断，出临界区时恢复保存的EA值。采用这种方法，在嵌套调用OS_ENTER_CRITICAL()/OS_EXIT_CRITICAL()对时，不会发生错误（EA进入临界区前是什么值，退出后还是什么值）。

//OS_ENTER_CRITICAL()
//入临界区
#pragma ASM
PUSH IE;
CLR EA;
#pragma ENDASM

//OS_EXIT_CRITICAL()
//出临界区
#pragma ASM
POP IE;
#pragma ENDASM