原创 AVR RTOS移植（转帖）

                                   序
    自从03年以来，对单片机的RTOS的学习和应用的热潮可谓一浪高过一浪.03年，在离开校园前的，非典的那几个月，在华
师的后门那里买了本邵贝贝的《UCOSII》，通读了几次，没有实验器材，也不了了之。
    在***上，大家都可以看到杨屹写的关于UCOSII在51上的移植，于是掀起了51上的RTOS的热潮。
    再后来，陈明计先生推出的small rots，展示了一个用在51上的微内核，足以在52上进行任务调度。
    前段时间，在ouravr上面开有专门关于AVR的Rtos的专栏，并且不少的兄弟把自己的作品拿出来，着实开了不少眼界。这
时，我重新回顾了使用单片机的经历，觉得很有必要，从根本上对单片机的RTOS的知识进行整理，于是，我开始了编写一个
用在AVR单片机的RTOS。
   
    当时，我所有的知识和资源有： 
    Proteus6.7        可以用来模拟仿真avr系列的单片机
    WinAVR v2.0.5.48  基于GCC AVR的编译环境，好处在于可以在C语言中插入asm的语句
    mega8  1K的ram有8K的rom,是开发8位的RTOS的一个理想的器件，并且我对它也比较熟悉。
    
    写UCOS的Jean J.Labrosse在他的书上有这样一句话，“渐渐地，我自然会想到，写个实时内核直有那么难吗？不就是不
断地保存，恢复CPU的那些寄存器嘛。” 

    好了，当这一切准备好后，我们就可以开始我们的Rtos for mega8的实验之旅了。
   
    本文列出的例子，全部完整可用。只需要一个文件就可以编译了。我相信，只要适当可用，最简单的就是最好的，这样
可以排除一些不必要的干扰，让大家专注到每一个过程的学习。

 
 第一篇：函数的运行 

                                 第一篇：函数的运行

    在一般的单片机系统中，是以前后台的方式(大循环+中断)来处理数据和作出反应的。
    例子如下:
   
    makefile的设定:运行WinAvr中的Mfile，设定如下
    MCU Type: mega8
    Optimization level: s
    Debug format :AVR-COFF
    C/C++ source file: 选译要编译的C文件

#include <avr/io.h>
void fun1(void)
{
  unsigned char i=0;
  while(1)
  {
    PORTB=i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
  }
}

int main(void)
{
  fun1();
}

    首先，提出一个问题：如果要调用一个函数，真是只能以上面的方式进行吗？
    相信学习过C语言的各位会回答，No!我们还有一种方式，就是“用函数指针变量调用函数”，如果大家都和我一样，当
初的教科书是谭浩强先生的《C程序设计》的话，请找回书的第9.5节。
    
    例子：用函数指针变量调用函数


#include <avr/io.h>
void fun1(void)
{
  unsigned char i=0;
  while(1)
  {
    PORTB=i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
  }
}
void (*pfun)();  //指向函数的指针

int main(void)
{

  pfun=fun1;    //
  (*pfun)();    //运行指针所指向的函数
}
    
     第二种，是“把指向函数的指针变量作函数参数”
     
#include <avr/io.h>
void fun1(void)
{
  unsigned char i=0;
  while(1)
  {
    PORTB=i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
  }
}

void RunFun(void (*pfun)())  //获得了要传递的函数的地址
{
  (*pfun)();                 //在RunFun中，运行指针所指向的函数
}

int main(void)
{
   RunFun(fun1);            //将函数的指针作为变量传递
    
}

    看到上面的两种方式，很多人可能会说，“这的确不错”，但是这样与我们想要的RTOS，有什么关系呢？各位请细心向
下看。

    以下是GCC对上面的代码的编译的情况：
    
    对main()中的RunFun(fun1); 的编译如下
  ldi r24,lo8(pm(fun1))
  ldi r25,hi8(pm(fun1))
  rcall RunFun
    
对void RunFun(void (*pfun)())的编译如下
                /*void RunFun(void (*pfun)())*/
               /*(*pfun)();*/
.LM6:
  movw r30,r24
  icall
  ret

    在调用void RunFun(void (*pfun)())的时候，的确可以把fun1的地址通过r24和r25传递给RunFun()。但是，RTOS如何才
能有效地利用函数的地址呢？
  
 
 
第二篇： 人工堆栈 

    在单片机的指令集中，一类指令是专门与堆栈和PC指针打道的，它们是
    rcall   相对调用子程序指令
    icall   间接调用子程序指令
    ret     子程序返回指令
    reti    中断返回指令   

    对于ret和reti，它们都可以将堆栈栈顶的两个字节被弹出来送入程序计数器PC中，一般用来从子程序或中断中退出。其
中reti还可以在退出中断时，重开全局中断使能。
    有了这个基础，就可以建立我们的人工堆栈了。
    例：
#include <avr/io.h>
void fun1(void)
{
  unsigned char i=0;
  while(1)
  {
    PORTB=i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
  }
}

unsigned char Stack[100]; //建立一个100字节的人工堆栈

void RunFunInNewStack(void (*pfun)(),unsigned char *pStack)
{
  *pStack--=(unsigned int)pfun>>8;    //将函数的地址高位压入堆栈，
  *pStack--=(unsigned int)pfun;        //将函数的地址低位压入堆栈，
  SP=pStack;                            //将堆栈指针指向人工堆栈的栈顶
  __asm__ __volatile__("RET 
\t");    //返回并开中断,开始运行fun1()

}

int main(void)
{
   RunFunInNewStack(fun1,&Stack[99]);
}
     RunFunInNewStack(),将指向函数的指针的值保存到一个unsigned  char的数组Stack中，作为人工堆栈。并且将栈顶的
数值传递组堆栈指针SP,因此当用"ret"返回时，从SP中恢复到PC中的值，就变为了指向fun1()的地址，开始运行fun1().

    上面例子中在RunFunInNewStack()的最后一句嵌入了汇编代码 "ret",实际上是可以去除的。因为在RunFunInNewStack()
返回时，编译器已经会加上"ret"。我特意写出来，是为了让大家看到用"ret"作为返回后运行fun1()的过程。
 
 

第三篇：GCC中对寄存器的分配与使用 

    在很多用于AVR的RTOS中，都会有任务调度时，插入以下的语句：
    
    入栈：
    __asm__ __volatile__("PUSH R0  
\t");
    __asm__ __volatile__("PUSH R1  
\t");
    ......
    __asm__ __volatile__("PUSH R31 
\t");

    出栈
    __asm__ __volatile__("POP  R31 
\t");
    ......
    __asm__ __volatile__("POP  R1  
\t");
    __asm__ __volatile__("POP  R0  
\t");

    通常大家都会认为，在任务调度开始时，当然要将所有的通用寄存器都保存，并且还应该保存程序状态寄存器SREG。然
后再根据相反的次序，将新任务的寄存器的内容恢复。
    
    但是，事实真的是这样吗？如果大家看过陈明计先生写的small rots51,就会发现，它所保存的通用寄存器不过是4组通
用寄存器中的1组。
    
    在Win AVR中的帮助文件 avr-libc Manual中的Related Pages中的Frequently Asked Questions,其实有一个问题
是"What registers are used by the C compiler?"  回答了编译器所需要占用的寄存器。一般情况下，编译器会先用到以
下寄存器
    1 Call-used registers (r18-r27, r30-r31): 调用函数时作为参数传递，也就是用得最多的寄存器。

    2 Call-saved registers (r2-r17, r28-r29): 调用函数时作为结果传递,当中的r28和r29可能会被作为指向堆栈上的变
量的指针。
    
    3 Fixed registers (r0, r1): 固定作用。r0用于存放临时数据，r1用于存放0。
    
    
    还有另一个问题是"How to permanently bind a variable to a register?",是将变量绑定到通用寄存器的方法。而且
我发现，如果将某个寄存器定义为变量，编译器就会不将该寄存器分配作其它用途。这对RTOS是很重要的。

    在"Inline Asm"中的"C Names Used in Assembler Code"明确表示,如果将太多的通用寄存器定义为变量，刚在编译的过
程中，被定义的变量依然可能被编译器占用。

    大家可以比较以下两个例子，看看编译器产生的代码：(在*.lst文件中)

第一个例子：没有定义通用寄存器为变量

#include <avr/io.h>

unsigned char add(unsigned char b,unsigned char c,unsigned char d)
{
   return b+c*d;
}

int main(void)
{
  unsigned char a=0;
  while(1)
  {
    a++;
    PORTB=add(a,a,a);
  }
}

   在本例中，"add(a,a,a);"被编译如下:
   mov r20,r28
   mov r22,r28
   mov r24,r28
   rcall add

第二个例子：定义通用寄存器为变量

#include <avr/io.h>

unsigned char add(unsigned char b,unsigned char c,unsigned char d)
{
   return b+c*d;
}


register unsigned char a asm("r20");  //将r20定义为 变量a 

int main(void)
{

    while(1)
    {
      a++;
        PORTB=add(a,a,a);
    }
}

    在本例中，"add(a,a,a);"被编译如下:  
    mov r22,r20
    mov r24,r20
    rcall add

    当然，在上面两个例子中，有部份代码被编译器优化了。 
    
    通过反复测试，发现编译器一般使用如下寄存器:
    第1类寄存器，第2类寄存器的r28,r29,第3类寄存器

    如在中断函数中有调用基它函数，刚会在进入中断后，固定地将第1类寄存器和第3类寄存器入栈，在退出中断又将它们
出栈。