基于AVR單片機的嵌入式系統的應用分析

引言

　　隨著技術的發展，嵌入式系統的設計及應用對人們的生活產生了很大的影響，并將逐漸改變人們未來的生活方式，在特定的操作系統上開發應用程序，可以使開發人員忽略掉很多底層硬件細節，使得應用程序調試更方便、易于維護、開發周期縮短并且降低開發成本，因而嵌入式操作系統深得開發人員的青睞。

　　AVR微處理器是Atmel公司開發的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優點，而且程序存儲器和數據存儲器可獨立編址，并具有獨立訪問的哈佛結構。AVR單片機內核有豐富的指令集，通過32個通用寄存器直接與邏輯運算單元相連接，允許在一個周期內一條單一指令訪問兩個獨立的寄存器，這樣的結構使代碼的執行效率比傳統的復雜指令集微處理器快了將近10倍。

　　AVRX是由1barello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統，它專門針對AVR系列單片機的RTOS，具有免費和可以修改的特點，它的缺點是由于做為一種專用的操作系統很難移植到其他平臺上。

1 AVRX 系統的特點

　　AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點：

◆ 完全支持占先式、優先級驅動的任務調度算法；

◆ 16個優先級，相同的優先級的任務采用Round robin調度算法輪流執行；

◆ 信號量可以用于信號傳遞、同步和互斥信號量，支持阻塞和非阻塞語法；

◆ 任務之間可以用消息隊列相互傳遞信息，接收和確認消息可以用阻塞和非阻塞調用；

◆ 在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務程序可以使用；

◆ 支持單個定時器的時間隊列管理，任何進程都可以設置一個定時器，并且任何一個任務都可以等待定時器時間到；

◆ 支持單步調式運行著的進程；

◆ 程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節；

◆ 與定時器/計算器有關的一些事務可以用AVRX寫成任務級代碼。

1.1 任務

　　AVRX2.6為了支持C語言，保存了所有的32個寄存器，最小的上下文是32個寄存器、SREG和PC，總共35個字節。AvrXInitTask（）函數給所有的寄存器初始化為0x00；只有進程上下文保存在任務堆棧中，所有其他的使用（包括內核和中斷）保存在內核堆棧。這樣降低了第一個中斷的上下文切換和進入內核API的SRAM消耗。隨后的中斷（如果允許中斷嵌套）嵌入內核堆棧，API不進行上下文切換。

1.2 信號量

　　信號量是SRAM指針，它們有三中狀態：PEND、WAITING和DONE。當一個進程被一個信號量阻塞時，它處于WAITING狀態，多個任務可以排隊等候一個信號量。在后一種情況下，信號量可以看作互斥信號量。提供的API函數如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntSetSemaphore、AvrXWaitSemaphore、AvrXtestSemaphore、AvrXIntTestSemaphore和AvrXResetSemaphore。

1.3 定時器

　　定時器控制塊（TCB）長度為4（或6）個字節。它們管理一個16位計數值。定時器隊列管理器管理一個分類的定時器隊列，每個都調整為所有計數器的和到其延時需要的值。提供的API函數如下：AvrXStartTimer、AvrXTimerHandler、AvrXCancelTimer、AvrXWaitTimer、AvrXTestTimer和AvrXDelay。

1.4 消息隊列

　　消息隊列用消息控制塊（MCB）做為隊列首地址。任何進程、中斷處理函數和多個進程都可以等待消息。MCB的長度是2或4個字節。消息可以認為是靈活性更大的信號量。提供的API函數如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMessage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWaitMessageAck。

1.5 單步運行支持

　　通過重新匯編內核AVRX，可以允許和禁止單步運行的支持。單步運行可以通過編譯內核庫時定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。

　　在能夠單步運行以前，進程必須先暫停。有兩種方法實現：一是僅僅初始化進程但不使能；二是用目標進程的ID調用AvrXSuspend，一旦目標進程掛起，調試SPI就能使用了，提供的API函數有：AvrXStepNext和AvrXSingleStepNext。

1.6 系統對象

　　AVRX是圍繞系統對象的概念而構建的，系統對象包括一個鏈接和其后面的0個或者若干個字節的數據信號量。進程對象可以根據運行隊列和信號量排隊。計數器控制塊只能根據計數器隊列排隊。消息控制塊只能在消息隊列排隊。進程根據嵌入對象的信號量等待這些對象。

　　進程堆棧中可用的SRAM是限制系統規模的主要因素，每個進程都需要至少10～35字節的空間來存儲進程上下文。提供的API函數如下：AvrXSetObjectSamaphore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObjectSamaphore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSamaphore和AvrXIntTestObjectSamaphore。

1.7 系統堆棧

　　AVRX需要足夠大的堆棧來處理所有可能的中斷嵌套，每次進入內核將會把10～35字節壓進堆棧（標準上下文和返回地址），中斷處理可能壓進去更多。AVRX的API會臨時壓入2個以上的字節。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內是設計者的工作。

2 AVRX系統的應用

2.1 AVRX在不同型號AVR單片機上的移植

　　下面以ATmega16為例，介紹移植工作。

（1）編譯器的選擇

　　由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR－GCC編譯器下編寫的，所以選用AVR－GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機上的移植特性。

（2）重新編譯AVRX內核

　　為了將應用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內核，重新編譯包括下述步驟。

　　①重新修改AVRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：