原创 MicroC/OS-II在80C196上的移植实现

摘   要：在嵌入式系统中使用实时操作系统，可以提高系统的稳定性、可靠性和实时性。MicroC/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核，并且开放源代码，得到了广泛应用。本文结合具体应用，介绍了MicroC/OS-II在80C196上移植实现过程和注意事项。
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    在嵌入式系统开发中，很长时间以来，一直采用传统的嵌入式系统软件设计模式：无限循环＋中断服务。该模式下，主程序为一个无限循环，单任务顺序执行各个处理任务。在循环之外，设计一个或多个中断服务函数，用于处理异步事件。在相对简单的应用中，这种模式，完全可以胜任。而对于实时性要求较高、处理任务较多的应用，就会暴露出实时性差的缺点，甚至不能够达到应用的要求，系统可靠性低，稳定性差。引入实时操作系统，可以较好解决这个问题。

MicroC/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核，并且开放源代码，在嵌入式系统中得到了广泛应用。为了实现老系统功能升级，达到了不改变硬件设计，增加系统功能、提高系统性能的目的，从而采用该实时操作系统。本文介绍了将其移植应用于80C196的具体实现和注意事项。

所谓移植，就是使一个实时内核能够在其他微处理器或微控制器上运行。移植要做的是，修改或编写与处理器硬件相关的代码。由于80C196系统的资源有限，除了代码移植，还要根据具体应用，对MicroC/OS-II进行裁剪，以达到系统的设计要求。

1. MicroC/OS-II简介

MicroC/OS-II的系统结构见图1。

MicroC/OS-II最主要的特点之一是源代码开放，有利于用户根据具体应用对操作系统进行充分的裁减。这也使得其可移植性非常的强。

MicroC/OS-II是为嵌入式应用专门设计的，完全可与应用软件融合在一起，进行编译、连接，进而作为产品的一部分发布。

MicroC/OS-II是完全可剥夺型的实时内核，总是运行就绪任务中最高优先级的任务，即准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。

2. 移植的基本思路

2.1 编译器

采用TASKING公司的C196编译器，可以方便的嵌入汇编语言，因此该移植所有的函数都在OS_CPU_C.C中实现，没有OS_CPU_A.ASM文件。能够采用C语言编码的，尽量采用C语言编码；不能采用C代码的，采用嵌入汇编的方式。以此降低代码的分散度，提高代码的可读性。

2.2 代码移植

代码移植，需要修改或编写与处理器硬件相关的代码。包括与处理器相关的数据类型定义，函数定义，存储器操作等。其中的主要任务有：

1）    重新编辑INCLUDES.H文件，增加与应用相关的头文件；改写OS_CPU.H文件；

2）    改写OS_CFG.H文件；编写OS_CPU_C.C；

3）    优化代码效率。

2.3 存储资源

由于80C196系统的物理资源十分有限，需要对系统内核进行充分的裁剪。

片内可用内存为220个字节，在系统中外部扩展3584（3.5K）个字节。为了提高系统速度，操作系统尽量使用片内存储区。系统应用中经常使用的变量，也需要分配在片内存储区。

为了节约存储资源采取以下措施：

1）    裁剪不使用的功能模块和其使用相应变量。

2）    根据应用的需要裁剪所需资源的规模。例如，在应用中实际使用任务为6个，所以将OSRdyTbl由一个数组，更改为一个8位变量，并去掉OSRdyGrp，因为其永远是0。

3）    修改OS_InitTaskIdle内容，将OS_TaskIdle任务换为应用的最低优先级的任务。

4）    裁剪OS_TCB的内容。例如，永远不会使用的变量OSTCBY和OSTCBBitY。

5）    裁剪中断嵌套的相关内容。

2.4 时间资源

MicroC/OS-II推荐的时钟节拍为10～200ms，而本系统的实际时钟节拍为250μs，这样系统额外开销必然大幅度增加，系统时间资源十分紧张。

为了节约时间资源采取以下措施：

1）    弃用OSTimeDly函数，直接操作任务定时器，调用OS_Sched函数。

2）    弃用OSIntExit和OSIntCtxSw函数，将其源代码直接加入软件定时器中断服务函数。

3）    降低其他中断服务函数的代码长度，且不进行任务切换，降低系统时钟的误差。

4）    根据编译得到的汇编代码，对部分C语言代码进行优化。

3. 移植实现

3.1 任务分配

一个任务，也称为一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于自己。每个任务有独立的堆栈空间和优先级。

根据每个任务的内容可以在相应位置，使任务就绪。而任务就绪和任务切换可以分开。例如，在接收中断中，使可以CAN通信任务就绪，但可以不进行任务切换，而在系统时钟函数中进行任务切换。系统总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。

3.2 时钟节拍

时钟节拍是特定的周期性中断，根据应用系统的需要，时钟节拍的周期为250μs，采用软件定时器实现。在该服务函数中实现任务切换，为了节省时间和存储资源，不进行函数调用。

    软件定时器中断服务函数实现代码如下：

void OSTickISR(void)

{

… …// 重置软件定时器

     OS250usCount++;    // 计数器加1

     if((OS250usCount&0x03)==0)  {

         … …

         OS1msCount++; // 1ms定时器

         OS50msDly++;  // 50ms定时器

         OSRdyTbl |= 0x20;  // 1ms定时到，就绪TaskChk任务

… …    }

     // OSIntExit() 中断退出任务切换

     OSPrioHighRdy = OSUnMapTbl[OSRdyTbl]; // 取得最高优先级就绪任务的优先级

     if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur)// 判断当前任务优先级是否与最高优先级就绪任务的优先级相同

     {

         // OSIntCtxSw();

         OSTCBCur->OSTCBStkPtr = psp;         // 存储被中断任务的堆栈指针

         OSTCBCur = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];   // 取得最高优先级就绪任务的TCB

         OSPrioCur = OSPrioHighRdy;  // 设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级

         psp = OSTCBCur->OSTCBStkPtr;     // 取得堆栈指针

         asm{     // 现场恢复

              pop  dx;  pop  cx;  pop  bx;  pop  ax;  popa;

              ret; // 切换到最高优先级就绪任务，必须要有的

         }

     }

}

3.3 中断

由于中断的存在，任何代码在任何时候，都有可能被中断。而有些代码是不可分割的，如果被中断将会产生不可预料的后果。因此定义临界段，以处理不可分割的代码。一旦该部分代码开始执行，不允许任何中断插入。为了确保临界段代码的执行不被中断，在进入临阶段之前，必须关中断，临界段代码执行结束，开中断。

    为80C196定义OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL如下：

// 中断禁止函数

#define  OS_ENTER_CRITICAL()  asm DI

// 中断使能函数

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   asm EI

3.4 其他代码实现

3.4.1 任务堆栈初始化函数

任务堆栈初始化函数代码如下：

OS_STK  *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)

{

     … …

     stk = (OS_STK*)ptos;

*--stk = (OS_STK)task; // 任务开始地址

*--stk = (OS_STK)0x0000|gimask;  // PSW IMASK

*--stk = (OS_STK)0x0000|gimask1;// IMASK1 WSR

*--stk = (OS_STK)4;    // DX

*--stk = (OS_STK)3;    // CX

*--stk = (OS_STK)2;    // BX

*--stk = (OS_STK)1;    // AX

return ((OS_STK *)stk);

}

3.4.2 开始运行最高优先级就绪任务

系统开始运行时，调用该函数，以开始运行，其实现代码如下：

void OSStartHighRdy(void)

{

     OSRunning = TRUE;  // 置系统正在运行标志

     … …

     OSTCBCur = OSTCBHighRdy;    // 置当前TCB为最高优先级就绪任务的TCB

     psp = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr; // 取得堆栈指针

     asm{     // 恢复现场

         pop  dx;  pop  cx;  pop  bx;  pop  ax;  popa;    // 转到新任务

     }

}

3.4.3 现场切换函数

OS_Sched函数调用该函数实现真正的任务切换。

void OSCtxSw(void)

{

     asm{     // 保存被中断任务的现场

         pusha;   push ax;  push bx;  push cx;  push dx;

     }

OSTCBCur->OSTCBStkPtr = psp;     // 存储被中断任务的堆栈指针

     OSTCBCur = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];   // 取得最高优先级就绪任务的TCB

     OSPrioCur = OSPrioHighRdy;  // 设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级

     psp = OSTCBCur->OSTCBStkPtr;              // 取得堆栈指针

     asm{     // 现场恢复

         pop  dx;  pop  cx;  pop  bx;  pop  ax;  popa;

     }

}

4. 注意事项

在实现过程中的得到如下经验教训：

1)       尽量减少任务的数量，以减少系统额外开销。相对少的任务数，可以减少，系统花在任务切换上的时间。

2)       合理分配各个任务的优先级。

3)       注意开中断、关中断的时机。

4)       注意入栈和出栈要匹配。如果堆栈指针出现错位，将会出现灾难性后果。特别注意中断服务函数的处理，其调用时的入栈内容和退出中断的出栈内容要对应，而中断退出有两种可能：正常退出和任务切换。

5)       合理选择定时器时间周期。

6)       同类型工作，也同样需要有优先级区分。例如：同样是通信任务，接收数据需要较高的优先级，而通信故障处理需要较低的优先级。一般情况下，通信处理都有一定的故障容忍时间，只要在容忍时间内得到处理就可以了。如果发生不可恢复性错误，故障处理将会占用大量的时间，如果在较高优先级，将会影响整个系统的性能。

5. 结论

通过在80C196上移植实现MicroC/OS-II，达到了不改变硬件设计，增加应用功能，提高了应用系统性能的目的。在嵌入式系统中使用嵌入式实时操作系统，不但可以提高系统的实时性、可靠性和稳定性，还可以提高应用软件的可移植性和可维护性，降低开发人员的工作量。因此，只要硬件环境允许，应尽量采用实时操作系统。