M16C62在uC/OS-II嵌入式系統中的應用

M16C62在uC/OS-II嵌入式系統中的應用時間：2009-02-25 13:41:25 來源：嵌入式線上 作者：

前言

　　隨著微電子技術和網路的發展，人們對網路的認識日益深入。網路終端產品也越來越受到人們的關注，嵌入式作業系統的應用也得到了前所未有的發展，人們對嵌入式的研究也有了長足的進步。基於某個作業系統的即時、多任務系統的設計合應用成為單片機應用的新的發展趨勢。

　
　uC/OS是一個公開原始碼的嵌入式作業系統，uC/OS-II是由uC/OS
V1.1版升級而來，在原來版本的基礎上，uC/OS-II有了許多新功能，如：記憶體管理；在任務建立、刪除、任務切換、時鐘節拍切換處理過程中，允許用
戶調用自訂的函數；支援任務控制塊（TCB）功能擴充；能效驗各堆棧使用方式；以及其它一些新功能【2】。M16C62單片機是三菱公司在90年代末推
出的新一代16位單片機，是目前應用最廣泛的16位單片機之一。M16C族單片機融合了基於寄存器和基於儲存空間型兩種結構的優點，從而能夠實作類別似
RISC的高速處理效能。M16C62單片機具有超低功耗、極強的抗幹擾能力和很高的C語言編程效率等特點，片內整合了10位A/D轉換器、DMA控制
器、非同步通訊通道、定時器等豐富的周邊功能電路模組，非常適合應用在小型即時、多任務、嵌入式系統中【1】。把uC/OS-II移植到M16C62單片機
中，就可以構成一個即時多任務應用系統。下面就來談談如何把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，並以此設計一個即時多任務系統。

　　1、uC/OS-II的移植

　
　uC/OS-II採用完全佔先式的即時核心，最多可以管理56個任務，每個任務對應一個不同的優先順序，因而，uC/OS-II作業系統並不支援時間片輪
轉調度法。但是全部UC/OS-II的函數調用與服務的執行時間是可知的，也就是，uC/OS-II系統服務的執行時間不依賴於應用程式任務的多少。另
外，uC/OS-II中每個任務都有自己單獨的棧，每個棧的大小可以根據應用程式的需要進行分配，這樣壓低了系統對RAM的需求；在中斷管理方面，uC
/OS-II中的中斷可以使正在執行的任務掛起，如果優先順序更高的任務被中斷喚醒，則高優先順序的任務在中斷嵌套全部退出後立即執行，uC/OS-II的中
斷嵌套可達255層。

　　uC/OS-II的源碼大部分是用可移植性很強的ANSI C
寫的。只是和微處理器有關的很小一部分代碼是用彙編寫的，這樣把uC/OS-II移植到MC16C62中就變得相對容易很多，主要是要修改和處理器有關的
代碼,如：OS-CPU.H、OS-CPU-A.ASM、OS-CPU-C.C。

　　（1）、OS-CUP.H標頭檔

　　
OS_CUP.H標頭檔主要是定義和處理器有關的資料類型，在M16C62中的資料類型包括無符號整型、有符號整型、無符號字元型、有符號字元型等。因
此，OS_CPU.H標頭檔對這些類型進行全新的定義。除了和處理器有關的資料類型定義外，在OS-CUP.H中還作了有關中斷禁止、中斷允許、堆棧的增
長方向等一些簡單宏的定義。

　　（2）、OS-CPU-A.ASM檔案
 
在OS-CPU-A.ASM檔案中包含四個彙編語
言的函數：OSStartHighRdy()、OSCtxsw()、OSIntCtxsw（）、OSTickISR（）。在uC/OS-II中處於就緒態
的任務的堆棧結構，看起來和剛中斷的情形是一樣的。要想運行最高優先順序任務，移植要做的是就是將所有處理器的寄存器按順序從任務堆棧中恢複出來，並且通過
一條中斷返回語句來實現任務的切換。因而，OSStartHighRdy()就是使要恢複的任務堆棧指標指到任務控制塊的0偏址的記憶體單元中。也就是要把
儲存在任務堆棧中的資料以及CPU寄存器,如R0、R1、R2、R3、A0、A1、SB和FB返回到系統當前的寄存器中，並把當前堆棧指標指到PC指標的
位置。

　　在uC/OS-II中任務的切換問題是通過發軟體中斷命令或依靠處理器執行陷阱指令來完成的。但是插斷服務常式、陷阱或異常處理
常式的向量地址必須指向OSCtxSw（）【1】。在M16C62單片機中可以通過定義軟體中斷0來完成任務的切換。因而，在M16C62中的中斷向量表
中的0號軟體中斷地址指向OSCtxSW（）。對應的中斷號為0。

　　OSInCtxSw（）用來在ISR中執行切換功能。由於這個函數本身就是在中斷中被調用，因而，在中斷處理時寄存器的狀態已經都被正確儲存了。在OSInCtxSw（）函數中要進行堆棧清理工作，只有這樣被中斷的任務的堆棧內容才能正確返回。

　
　OSTickISR（）這個函數時UC/OS-II所要求的時鐘基準，即時鐘節拍，uC/OS-II的時鐘節拍頻率在10到100之間，通常為了計算方
便而設為整數。在M16C62中有多個定時計數器可以選擇用來作為系統的時鐘基準。在該系統中利用時鐘定時器A0來產生頻率為100的一個時鐘節拍。
OSTickISR（）是一個中斷響應函數，因而必須在M16C62的中斷向量表中，A0的中斷向量應分配給OSTickISR（），對應的中斷向量號是
21【4】。
（3）、OS_CPU_C.C檔案

　　在這個C檔案中包含6個簡單的C函數，而這6個函數中和移植關係最密切的
OSTaskInit（）函數，這個函數是用來建立一個任務堆棧。OSTaskCreat（）和OSTaskExt（）就是通過調用這個函數來初始化任務
的堆棧結構的，由此看來，OSTaskInit（）是移植的關鍵。在前面的OS_CPU_A.ASM檔案中，任務的切換是通過調用一個非強制中斷0來實現任務
切換，通過中斷的返回指令使堆棧中的資料返回到CPU寄存器，使最高優先順序的任務佔有CPU，因而，OSTaskInit（）函數要做的就是類比中斷髮生
時處理器壓棧的過程，把CPU的寄存器內容壓到任務堆棧中。在M16C62單片機中，系統分為兩個堆棧，即：使用者堆棧和中斷堆棧，而在uC/OS-II進
行任務切換是通過非強制中斷0來實現的，因此，uC/OS-II的任務堆棧是M16C62中的中斷堆棧【1】。在M16C62中，響應中斷後堆棧的狀態
（一）所示：

中
斷堆棧中依次儲存程式計數器PC和標誌寄存器FLG中的內容，因此，在OSTaskStkInit（）函數中就是要類比這樣的一個壓棧過程。先壓入
FLAG的高四位和PC指標的高四位，接著壓入FLAG低位、PC中間八位和PC的低八位。在儲存完PC和FLAG位後就應該為CPU的寄存器FB、
SB、A1、A0、R3、R2、R1和R0分配相應儲存空間【3】。OSTaskInit（）函數返回的是任務堆棧的指標。 

　　2、多任務系統設計                                          

　
　多任務系統的設計是以M16C62單片機為CPU，以uC/OS-II為作業系統構成一個即時多任務系統，系統包括一個基於SPI匯流排的溫度感應器
（DS1722）、一個基於I2C匯流排的即時鐘（X1226）、一個LCD（JM202A）和鍵盤。M16C62工作在微處理器模式，片外擴充一個
32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構成的儲存空間。多任務系統的設計主要包括：單片機資源分派
和多任務設計兩個方面。

　　（1）、M16C62單片機資源分派

　　M16C62單片機是一個16位單片機，線性定址空間是
1M，但片內的RAM大小隻有3Kbyte，因此要使多任務系統能正常穩定地工作必須合理分配資源。uC/OS-II中所有核心代碼必須在RAM區而把系
統堆棧區劃塊到3K RAM
區外。通過對Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個M16C62設定檔，可以完成對單片機的資源劃分。NC30編譯器一開始就會編譯
Ncrt0.a30和Sect30.inc這兩個檔案，完成對CPU的初始化，和資源分派，主要包括：儲存空間空間、RAM區分配、中斷向量分配、堆棧區劃
分等【5】【4】【6】。

　　（2）、多任務設計

　　該系統中除了uC/OS-II的空閑任務外，還包括即時鐘任務、溫度采
集任務和鍵盤中斷任務和資料存放區任務。即時鐘主要是能精確記錄系統的日期，任務優先順序為10，該任務處於一直工作狀態；溫度採集任務的優先順序為20，主要
是完成溫度資料的採集；資料存放區任務是在溫度發生較大變化的時候記錄當時的時間和溫度，任務優先順序為30，在一般情況下這個任務是處在掛起狀態，一旦溫度
變動超過預置範圍，溫度採集任務就會發出一個有效訊號量使處於掛起態的資料存放區任務轉為就緒態。鍵盤中斷任務是通過M16C62的鍵盤中斷來完成參數的設
定，該任務以一個中斷處理函數的形式來完成的。系統的程式流程圖（二）所示。  

　　3、結束語

　　把
uC/OS-II移植到M16C62單片機中，並以M16C62單片機為微處理器構成一個即時多任務系統，不僅系統設計簡潔、硬體結構相對與51系列單片
機來說也要簡單，而且具有較強的抗幹擾能力和系統穩定性。以M16C62為微處理器，以uC/OS-II為即時作業系統構成的多任務系統能廣泛應用在小型
即時多任務系統中，具有較好的應用前景。

圖（二）：系統主程式流圖