基于MSP430F149單片機的實時多任務操作系統

1 rtos的基本概念

實時多任務操作系統（rtos-real time operating system）是根據操作系統的工作特性而言的。實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統是指具有實時性，能支持實時控制系 統工作的操作系統。首要任務是調度一切可利用的資源完成實時控制任務，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。

實時操作系統中的任務(task)有四種狀態：運行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)，休眠(dormant)。

運行：獲得cpu控制權。

就緒：進入任務等待隊列。通過調度轉為運行狀態。

掛起：任務發生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統實時事件的發生而喚醒。從而轉為就 緒或運行。

休眠：任務完成或錯誤等原因被清除的任務。也可以認為是系統中不存在了的任務。

某一時刻，系統中只能有一個任務在運行狀態。各任務按級別通過時間片分別獲得對cpu的訪問權。

rtos內核按照任務的調度機制可以分為兩種：一種是占先式內核，一種是非占先式內核。

占先式內核：當一個低優先級的任務正在運行時，一個高優先級的任務就緒，那么rtos就會把低優先級的任務掛起，來運行高優先級的任務。等高優先級的任務執行了一個循環掛起之后，再回到低優先級任務的斷點繼續運行。也就是說，任務的優先級越高，響應起來越及時。

非占先式內核：當一個低優先級的任務在運行時，一個高優先級的任務就緒，rtos不會把cpu切換給高優先級的任務，必須等低優先級的任務執行了一個循環掛起之后，再由rtos根據所有就緒任務的優先級判斷將cpu切到哪個任務。

絕大多數商業rtos, 以及著名的開放源碼的uc/os-ii操作系統，都采用的是占先式內核，它的優點是實時性要比非占先式內核高。

在rtos中，一般情況下，每個任務都一無限循環，每循環一次，任務掛起一段時間，以供調度程序把這段時間交給優先級更高的其它就緒任務，讓其它任務運行(如圖1)。當所有任務都掛起時，rtos把任務切到空閑任務來執行。

空閑任務是一個系統任務，它一般是一個空的循環，優先級最低，也從來不會掛起。

2 在msp430上使用rtos的意義

一般的觀點認為，msp430上使用rtos是沒有意義的。這是可以理解的，因為msp430的硬件資源有限(以msp430f149為例，只有2kram),任何商業操作系統都不可能移植到msp430上。目前在msp430上得到應用的rtos，只有 uc/os-ii，但使用uc/os-ii 必須有昂貴的c編譯器，這嚴重限制了其在msp430上的使用。

正是基于以上情況，筆者在應用msp430過程中，編寫了一個基于msp430f149的rtos，暫定名為m430/os。它占用ram量少、代碼短小，稍加改動就可適用于大多數其它msp430單片機。

在msp430單片機系統上使用m430/os，對系統有以下意義：

1） 實現軟件設計的模塊化?？蓪⒉煌墓δ苣K編制成相應的任務，由操作系統按級別調用，不必為先執行哪個功能、后執行哪個功能而費神。

2） 更能合理、有效地利用cpu有限的資源。按任務的重要程度安排任務的級別，能夠保證最重要的任務執行得最及時。

3） 大大降低系統故障率。低優先級的任務發生阻塞時，高優先級的的任務的執行不受影響。

3 m430/os在msp430f149上的實現

3.1 功能特點
　　
m430/os有以下特點：

1） 采用占先式內核，即高優先級的任務可以從低優先級任務"搶"回cpu控制權；

2） 每個任務都單獨開辟一個任務棧；

3） 每個任務占十幾到幾百個字節的任務堆棧，任務棧的大小可以根據任務中現場數據、局部變量和嵌套調用的情況估算；

4） 每個任務各占一個優先級,不支持兩個任務有相同的優先級；

5） 不支持信號量、郵箱功能；

6） 任務狀態只有三種：運行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)；

7） 系統占用ram量=（（任務個數+1）×4）+6個字節，不包括任務堆棧；

8） 代碼量少，目前版本的代碼共有87行匯編代碼，256字節目標代碼；

9） 理論最多支持126個任務；

10）任務鎖定功能：在一段低優先級的代碼中，不想讓操作系統把cpu權切換到別的任務，這時可以把這代碼鎖定，在運行這段碼時，就不會引起任務切換；

11）任務喚醒功能：在一個任務中產生一個的事件來觸發其它任務運行（如果被觸發的任務優先級高的話，就會馬上運行）。

3.2 系統函數介紹

1） os_init：多任務初始化，進行任務棧（任務棧的結構見圖3）、任務延時計數、任務狀態的初始化。初始化完成后，系統直接切換到最高優先級的任務，多任務系統啟動。

2） os_time_dly：把當前任務掛起一段指定時間讓其它任務運行。

3） os_sched：任務調度，它先把每個任務的延時數減1，然后再找出最高優先級的就緒任務，并切換到這個就緒任務。如果無就緒任務，就切換到空閑任務。

4） os_free_task：空閑任務，是一個很重要的系統任務，當所有任務都掛起時，來運行此任務。它主要是對一個計數器free_count一直進行累加，用戶可以根據這個計數器來計算出cpu的利用率來。

5） os_task_lock：鎖定任務調度，禁止任務調度。主要用來鎖定在低優先級中的一些為可重入的代碼或一些重要代碼。

6） os_task_unlock：解鎖任務調度，和上面的子程序功能相反。

7） os_task_wakeup：喚醒指定優先級的任務，并產生一次任務調度，如果被喚醒任務的優先級比當前運行的任務的優先級高，就會任務切換到被喚醒的任務中，否則等待下一個調度時機。

3.3 主要功能的實現

a) 任務初始化

系統加電運行后，首先對硬件資源進行初始化，接著就要對多任務進行初始化了。主要是初始化每個任務的任務棧、每個任務的時鐘滴數和堆棧指針位置。我們把每個任務棧都初始化成圖2形式：

任務棧的初始化如下程序（r11是用來初始任務堆棧的一個指針，r10是一個循環計數器）：

mov.w　　　　 #(棧底 + 2) , r11

clr.w　　　　 task_tick(r10)　　　　 ;清0時鐘滴嗒數

mov.w　　　　 #任務首地址 , 0(r11) 　;把任務地址壓入堆棧

mov.w　　　　 sr , -2(r11)　　　　 　;把標志寄存器放入任務棧

mov.w　　　　 r11 , task_sp(r10)

sub.w　　　　 #現場所占的字節數 , task_sp(r10) ;sp位置放入堆棧

初始化完任務棧之后，就把堆棧指針指向最高任務先級任務棧的任務首地址處，再執行ret返回，這樣，多任務就啟動開了。如下程序：

mov.w　　　　 #09feh , sp　　　　　　;最高優先級的任務棧任務首地址位置

ret　　　　　　　　　　　　　　 　　　;返回到最高優先級的任務

任務初始化的流程見圖3。

b) 時鐘節拍

時鐘節拍由msp430f149的timera產生，timera工作于上升模式，ccr0中是timera計數最大值。timera初始化代碼如下：

bis.w　　　　 #(tassel1+taclr+mc_1),&tactl

mov.w　　　　 2(sp),&ccr0　　 ;計數最大值，此值決定時鐘節拍

bis.w　　　　 #ccie,&cctl0

c) 任務調度

應用程序調用os_init進行初始化后，直接切換到最高優先級的任務。

每個任務在運行一個循環后執行os_time_dly掛起。這是通過把該任務的延時數填到該任務的task_tick中，然后再執行任務調度程序實現的。

任務調度就是在定時中斷時對所有任務的task_tick減1，然后再接優先級高低的順序查找task_tick減到0的任務，并直接跳到任務切換程序。

下面的一段是任務切換程序（r10的內容是就緒任務的標志，由調度程序找出）：

pushall　　　　　　　　　　　　 　;把當前任務現場入棧

mov.b　　　　 now_task,r11　　　 ;當前任務標志放r11

mov.w　　　　 sp,task_sp(r11)　　;保存當前任務堆棧指針

mov.b　　　　 r10,now_task　　 　;就緒任務標志變為當前任務標志

mov.w　　　　 task_sp(r10),sp　　;就緒任務的任務棧指針放入sp

;此時再進行堆棧操作就是對就緒任務的任務棧操作了。

popall　　　　　　　　　　　　 　　;把就緒任務的現場出棧

reti　　　　　　　　　　　　　　 　;模擬中斷返回，返回到就緒任務

任務調度的調度時機有兩種：一種是在任務掛起時，一種是定時中斷。任務掛起時的任務調度一定會引起任務切換，定時中斷就不一定引起任務切換了。因為如果就緒任務是當前正在運行的任務時不會引起切換。正是如此，任務調度是rtos中執行得最頻繁的一個功能，也是最重要的一個功能，所以必須盡量縮減其代碼量，盡量用可靠的調度算法來減少任務調度所占的時間。這個子程序的流程見圖4。

d) 任務鎖和其它功能的實現

任務的加鎖與解鎖是為了使一些在低優先級任務的不可重入代碼或對實時性要求較高的i/o操作在執行中不產生任務切換，這項功能是通過設置一個標志位實現的，當調度程序檢查到任務被鎖定時，就算有就緒任務也必須等開鎖之后才能切換。

如果系統突然產生一個事件要某個掛起的任務來處理，可以在事件產生的程序中調用任務喚醒。它的原理是把task_tick清0，然后執行一次任務調度，如果這個任務優先級較高，就直接切換到這個任務里執行了。

總結

m430/os已在筆者開發的基于msp430f149的系統上得到應用，運行穩定可靠。該操作系統稍加改動，就可應用于其它msp430單片機。當然，它的功能還是很有限的，也可能還存在一些尚未暴露的問題，但無論如何，它向我們證明，在msp430單片機系統中使用rtos是完全可能的。