基于單片機的實時多任務操作系統

引 言

1 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2KB RAM),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μC/OS-II，但使用μC/OS-II 必須有昂貴的C編譯器，這嚴重地限制了其在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：

　?、?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。

　?、?能更合理、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得以最及時執行。

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

2 M430/OS在MSP430F149上的實現

2.1 M430/OS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；

　?、?每個任務都單獨開辟一個任務棧；

　?、?每個任務占十幾到幾百字節的任務堆棧，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；

　?、?每個任務各分配一個優先級,不支持兩個任務有相同的優先級；

　?、?不支持信號量、郵箱功能；

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

　?、?系統占用RAM量=（（任務個數+1）×4）+6字節，不包括任務堆棧；

　　⑧ 代碼量少，目前版本的代碼共有86行匯編代碼，256字節目標代碼；

　?、?理論上最多支持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，在運行這段代碼時，就不會引起任務切換；

　　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）。

2.2 系統函數介紹

　?、?OS_Init：多任務初始化，進行任務棧（任務棧的結構見圖1）、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。

　?、?OS_Time_Dly：把當前任務掛起一段指定時間讓其它任務運行。

　?、?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。

　?、?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，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計算出CPU的利用率。

　?、?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可重入的代碼或一些重要代碼。

　?、?OS_Task_Unlock：解鎖任務調度，和上面的子程序功能相反。

　?、?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，任務就會切換到被喚醒的任務中，否則等待下一個調度時機。

2.3 主要功能的實現

（1）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、每個任務的時鐘滴答數和堆棧指針位置。我們把每個任務棧都初始化成圖1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時鐘滴答數

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優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，程序如下：

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

任務初始化的流程如圖2所示。

（2）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

（3）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。

任務調度就是在定時中斷時對所有任務的Task_ Tick減1，然后再按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 ;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。這個子程序的流程如圖3所示。

（4）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。

3 總 結

　　M430/OS已在筆者開發的基于MSP430F149的系統上應用，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。