分析uC/OS-II在MSP430單片機芯片上實現RTOS的問題

MSP430系列單片機有6種不同的工作模式，都是通過對狀態寄存器SR的讀寫來實現的。在RTOS中，由于每個任務都可以分別保存自己的狀態，包括狀態寄存器，所以在實現低功耗工作模式時更加靈活方便。首先，在設計每個任務時，都可以根據任務的具體要求定義它的工作模式。其次，在整個系統設計中，設計一個最低優先級的任務，其作用就是使系統進入特定的低功耗工作模式。這樣，在其它任務都運行完畢后，系統會調用這個任務使整個系統進入低功耗工作模式。當其它任務又恢復運行時(如延時結束)，會自動進入其特定的工作狀態，以達到降低功耗的目的。

4 如何減少RTOS在運行中占用的RAM空間

影響RTOS在單片機上應用的主要原因是由于在單片機上運行RTOS需要占用一定的系統資源，如系統時鐘、RAM、FLASH或ROM等，從而減少了應用系統對資源的利用。特別是對RAM的占用。一般而言，單片機上的內部RAM數量都很少(如MSP430F148是整個MSP430中RAM最多的，也只有2  KB)，雖然可以通過外部擴展來增加RAM數量，但這樣不僅增加了設計的難度和產品成本，而且有時還使系統應用無法進行擴展。所以，最好的方法是能夠充分利用單片機的內部RAM來運行RTOS。

通過分析uC/OS-II對RAM的使用情況可知，占用RAM空間最多的原因，是由于在設計uC/OS-II時，要給每個任務都分配一個單獨的任務堆棧。特別在單片機的硬件設計沒有將中斷堆棧與任務堆棧分開時，計算任務堆棧的大小時不僅要計算任務中變量和函數嵌套所使用的RAM大小，還必須計算該任務在運行時發生中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小。由于每一個任務均需預留中斷和中斷嵌套所需要的RAM空間的大小，所以使得大量RAM空間被浪費。最直接的解決方法就是利用軟件來將任務堆棧和中斷堆棧分離，使得在計算任務堆棧的大小時，只需計算任務本身所需的RAM空間大小，從而提高了RAM的使用效率，增加了更多的應用任務。

所謂將中斷堆棧與任務堆棧分離，就是在內存中專門開辟出一塊區域作為中斷堆棧使用，任何一個任務運行時發生中斷都只使用它。設計的原則：一是要盡量將中斷任務與普通任務分開;二是模擬的中斷堆棧指針必須一直保持在中斷堆棧的頂部，即中斷時中斷堆棧指針要時刻保持與SP的同步變化。

為了達到這個目的，單片機芯片必須具備以下2個條件。

首先，單片機芯片必須有一個通用寄存器和相應的指令能夠模仿堆棧指針SP的功能，即能實現軟堆棧。在MSP430系列單片機中有以下指令可以仿真SP的功能(把R4作為中斷堆棧指針使用)：

MOV @R4+，SP ;將R4所指向地址中的內容存入SP;中，同時R4中內容加2

MOV SP，0(R4) ;將SP中的內容存入R4所指向的地址中

MOV @R4+，PC ;將R4所指向地址中的內容存入PC;中，同時R4中內容加2

其次，作為模擬中斷堆棧指針的寄存器R4，必須在中斷之外的任何情況下不被使用。因為，此時的R4必須時刻保持在中斷堆棧的頂部，如果改變它的值，就會改變中斷堆棧的結構。一般這個要求是由所使用的編譯器來保證的，在我們所使用的IAR編譯器中，有一個選項可以避免使用R4和/或R5。

具體設計時，我們在uC/OS-II每個任務的TCB(任務控制塊)結構中加入以下幾項：

TSP--任務堆棧指針。發生中斷后，指向該任務的任務堆棧的頂部。

ISP--中斷堆棧指針。如果在中斷中發生任務切換，指向該任務在中斷堆棧所保存狀態的頂部。

FromInt標志--是否來自中斷標志。用來判斷該任務的狀態是保存在中斷堆棧中(為1)，還是保存在任務堆棧中(為0)。

下面假設一個普通任務1在執行過程發生中斷，對它在中斷執行過程中可能出現的幾種情況進行分析。

(1)在普通任務1運行時引發中斷，在中斷中沒有激活更高優先級的任務，而是正常結束中斷，繼續執行任務1，如圖2所示。

圖2 情況1時的堆棧使用

開始中斷：將在中斷發生時保存在當前任務堆棧的SR和PC移到中斷堆棧中保存，同時  SP回到中斷前的位置并將它保存到該任務TCB中的TSP中(這是為了在中斷結束后，保持任務堆棧的連續性)，然后將SP指到目前中斷堆棧的頂部，按照自定義堆棧結構的順序依次將所有寄存器都保存到中斷堆棧中。保存的過程中R4必須與SP保持同步變化，同時將FromInt標志置l。

退出中斷：由于沒有激活更高優先級的任務，所以在中斷任務完成后，將按正常的順序退出中斷，即將保存在中斷堆棧中的寄存器推出堆棧，將FromInt標志置0，SP重新指向該任務的任務堆棧中，最后，將PC指針指向中斷前的返回地址，繼續程序運行。

(2)在普通任務1運行時引發中斷，在中斷中激活更高優先級的任務2。中斷結束時由任務調度器調度去執行更高優先級的任務2，沒有返回普通任務1。

當執行任務2時，任務調度器會將任務2保存在自己任務堆棧中的狀態恢復并執行任務2。執行完后，如果沒有激活更高優先級的任務，那么按照優先級高低的原則，調度器將調度執行任務1。通過判斷任務1的TCB中的FromInt標志，可以知道任務1的狀態是保存在任務堆棧中還是中斷堆棧中，從而可以將其狀態恢復，繼續運行。

(3)在普通任務1運行時引發中斷，在中斷中激活更高優先級的任務2，執行任務2時又發生中斷。

由于uC/OS-II是嚴格按照優先級搶占式原則進行任務調度的，所以將任務狀態保存在中斷堆棧頂部的任務的優先級一定比狀態保存在它下面的任務的優先級高。在執行時，是由中斷堆棧的頂部向底部順序執行。在這種假設中，一定先執行任務2，然后執行任務1，如圖3所示。

(4)在普通任務1運行時引發中斷，在中斷中激活更高優先級的任務2。在執行任務2時又發生中斷，在中斷過程中任務2由于等待信號量而被掛起。

這種情況在系統最初設計時已經被禁止，在中斷中不允許使用信號量將中斷掛起。

(5)  在普通任務1運行時引發中斷，在中斷中激活更高優先級的任務2。在執行任務2時又發生中斷，中斷中激活更高優先級的任務3。中斷結束時由任務調度器調度去執行更高優先級的任務3。

這種情況與討論的情況2是一樣的。