μC/OS-II的任務切換機理及中斷調度優化

引言

在嵌入式操作系統領域，由Jean J. Labrosse開發的μC/OS，由于開放源代碼和強大而穩定的功能，曾經一度在嵌入式系統領域引起強烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統會議（美國）的顧問委員會的成員。

不管是對于初學者，還是有經驗的工程師，μC/OS開放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過對于系統內部結構的深入了解，能更加方便地進行開發和調試；并且在這種條件下，完全可以按照設計要求進行合理的裁減、擴充、配置和移植。通常，購買RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學習者望而卻步；而μC/OS對于學校研究完全免費，只有在應用于盈利項目時才需要支付少量的版權費，特別適合一般使用者的學習、研究和開發。自1992第1版問世以來，已有成千上萬的開發者把它成功地應用于各種系統，安全性和穩定性已經得到認證，現已經通過美國FAA認證。

1 μC/OS-II的幾大組成部分

μC/OS-II可以大致分成核心、任務處理、時間處理、任務同步與通信，CPU的移植等5個部分。

核心部分(OSCore.c) 是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。能夠維持系統基本工作的部分都在這里。

任務處理部分(OSTask.c) 任務處理部分中的內容都是與任務的操作密切相關的。包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務為基本單位調度的，所以這部分內容也相當重要。

時鐘部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick（時鐘節拍）。任務延時等操作是在這里完成的。

任務同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分；主要用于任務間的互相聯系和對臨界資源的訪問。

與CPU的接口部分 是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統，所以對于關鍵問題上的實現，還是需要根據具體CPU的具體內容和要求作相應的移植。這部分內容由于牽涉到SP等系統指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷的相關處理部分等內容。

2 對于MSP430的中斷處理

2.1 函數調用和中斷調用的操作

MSP430最常使用的C編譯器應該就是IAR Embedd-ed WorkBench。對于這一編譯器來說，通過分析和研究，發現它有以下規律。

(1) 函數調用

如果是函數級調用，編譯器會在函數調用時先把當前函數PC壓棧，然后調用函數，PC值改變。

如果被調用的函數帶有參數，那么，編譯器按照以下的規則進行。

最左邊的兩個參數如果不是struct（結構體）或者union（聯合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數剩下的參數都將被壓棧。根據最左邊的那兩個參數的類型，分別賦值給R12（對于32位類型賦值給R12:R13）和R14(對于32位類型賦值給R14:R15)。

(2) 中斷調用

如果是在中斷中調用中斷服務子程序的話，編譯器將把當前執行語句的PC壓棧，同時再把SR壓棧。接著，根據中斷服務子程序的復雜程度，選擇把R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執行中斷服務子程序。中斷處理結束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統恢復到中斷前的狀態，使程序接著被中斷的部分繼續運行。

2.2 任務級和中斷級的任務切換步驟和原理

(1) 任務級的任務切換原理

μC/OS-II是一個多任務的操作系統，在沒有用戶自己定義的中斷情況下，任務間的切換步驟是這樣的：任務間的切換一般會調用OSSched()函數。函數的結構如下：

void OSSched(void){

關中斷

如果（不是中斷嵌套并且系統可以被調度）{

確定優先級最高的任務

如果（最高級的任務不是當前的任務）{

調用OSCtxSw();

}

}

開中斷

}

我們把這個函數稱作任務調度的前導函數。它先判斷要進行任務切換的條件，如果條件允許進行任務調度，則調用OSCtxSw()。這個函數是真正實現任務調度的函數。由于期間要對堆棧進行操作，所以OSCtxSw()一般用匯編語言寫成。它將正在運行的任務的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把R4~R15壓棧。接著把當前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高優先級的TCB->OSTCBStkPtr的值賦值給SP。這時候，SP就已經指到最高優先級任務的任務堆棧了。然后進行出棧工作，把R15~R4出棧。接著使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡單地說，μC/OS-II切換到最高優先級的任務，只是恢復最高優先級任務所有的寄存器并運行中斷返回指令（RETI），實際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。