📄 在51系列单片机上移植ucos.htm
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起点单片机</FONT><FONT face=华文行楷 color=#9999ff
size=4> (资料下载)</FONT> <FONT
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</FONT><FONT
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<P><B><FONT face=新宋体 color=#000080
size=4>在51系列单片机上移植uCOS-II</FONT></B></P>
<P><FONT class=b1><FONT face=新宋体 color=#000080
size=2>内容摘要：本文详细系统地介绍了uC/OS-II在51单片机上的移植、重入实现方法、硬件仿真、固化、人机界面等关键内容。<BR>关键词：嵌入式实时多任务操作系统、uC/OS-II、C51<BR>引言：随着各种应用电子系统的复杂化和系统实时性需求的提高，并伴随应用软件朝着系统化方向发展的加速，在16位/32位单片机中广泛使用了嵌入式实时操作系统。然而实际使用中却存在着大量8位单片机，从经济性考虑，对某些应用场合，在8位MCU上使用操作系统是可行的。从学习操作系统角度，uC/OS-II
for
51即简单又全面，学习成本低廉，值得推广。<BR>结语：μC/OS-II具有免费、简单、可靠性高、实时性好等优点，但也有缺乏便利开发环境等缺点，尤其不像商用嵌入式系统那样得到广泛使用和持续的研究更新。但开放性又使得开发人员可以自行裁减和添加所需的功能，在许多应用领域发挥着独特的作用。当然，是否在单片机系统中嵌入μC/OS-II应视所开发的项目而定，对于一些简单的、低成本的项目来说，就没必要使用嵌入式操作系统了。</FONT></P>
<P></P>
<P><FONT face=新宋体 color=#000080
size=2>uC/OS-II原理：<BR>uCOSII包括任务调度、时间管理、内存管理、资源管理（信号量、邮箱、消息队列）四大部分，没有文件系统、网络接口、输入输出界面。它的移植只与4个文件相关：汇编文件（OS_CPU_A.ASM）、处理器相关C文件（OS_CPU.H、OS_CPU_C.C）和配置文件（OS_CFG.H）。有64个优先级，系统占用8个，用户可创建56个任务，不支持时间片轮转。它的基本思路就是
“近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态”
。为了保证这一点，它在调用系统API函数、中断结束、定时中断结束时总是执行调度算法。原作者通过事先计算好数据，简化了运算量，通过精心设计就绪表结构，使得延时可预知。任务的切换是通过模拟一次中断实现的。<BR>uCOSII工作核心原理是：近似地让最高优先级的就绪任务处于运行状态。<BR>操作系统将在下面情况中进行任务调度：调用API函数(用户主动调用)，中断(系统占用的时间片中断OsTimeTick(),用户使用的中断)。<BR>调度算法书上讲得很清楚，我主要讲一下整体思路。<BR>(1)在调用API函数时，有可能引起阻塞,如果系统API函数察觉到运行条件不满足，需要切换就调用OSSched()调度函数，这个过程是系统自动完成的，用户没有参与。OSSched()判断是否切换，如果需要切换，则此函数调用OS_TASK_SW()。这个函数模拟一次中断(在51里没有软中断，我用子程序调用模拟，效果相同)，好象程序被中断打断了，其实是OS故意制造的假象，目的是为了任务切换。既然是中断，那么返回地址(即紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址)就被自动压入堆栈，接着在中断程序里保存CPU寄存器(PUSHALL)……。堆栈结构不是任意的，而是严格按照uCOSII规范处理。OS每次切换都会保存和恢复全部现场信息(POPALL)，然后用RETI回到任务断点继续执行。这个断点就是OSSched()函数里的紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址。切换的整个过程就是，用户任务程序调用系统API函数，API调用OSSched()，OSSched()调用软中断OS_TASK_SW()即OSCtxSw，返回地址(PC值)压栈，进入OSCtxSw中断处理子程序内部。反之，切换程序调用RETI返回紧邻OS_TASK_SW()的下一条汇编指令的PC地址，进而返回OSSched()下一句，再返回API下一句，即用户程序断点。因此，如果任务从运行到就绪再到运行，它是从调度前的断点处运行。<BR>(2)中断会引发条件变化，在退出前必须进行任务调度。uCOSII要求中断的堆栈结构符合规范，以便正确协调中断退出和任务切换。前面已经说到任务切换实际是模拟一次中断事件，而在真正的中断里省去了模拟(本身就是中断嘛)。只要规定中断堆栈结构和uCOSII模拟的堆栈结构一样，就能保证在中断里进行正确的切换。任务切换发生在中断退出前，此时还没有返回中断断点。仔细观察中断程序和切换程序最后两句，它们是一模一样的，POPALL+RETI。即要么直接从中断程序退出，返回断点；要么先保存现场到TCB，等到恢复现场时再从切换函数返回原来的中断断点(由于中断和切换函数遵循共同的堆栈结构，所以退出操作相同，效果也相同)。用户编写的中断子程序必须按照uCOSII规范书写。任务调度发生在中断退出前，是非常及时的，不会等到下一时间片才处理。OSIntCtxSw()函数对堆栈指针做了简单调整，以保证所有挂起任务的栈结构看起来是一样的。<BR>(3)在uCOSII里，任务必须写成两种形式之一(《uCOSII中文版》p99页)。在有些RTOS开发环境里没有要求显式调用OSTaskDel()，这是因为开发环境自动做了处理，实际原理都是一样的。uCOSII的开发依赖于编译器，目前没有专用开发环境，所以出现这些不便之处是可以理解的。<BR>移植过程：<BR>(1)拷贝书后附赠光盘sourcecode目录下的内容到C:\YY下，删除不必要的文件和EX1L.C，只剩下p187(《uCOSII》)上列出的文件。<BR>(2)改写最简单的OS_CPU.H<BR>数据类型的设定见C51.PDF第176页。注意BOOLEAN要定义成unsigned
char
类型，因为bit类型为C51特有，不能用在结构体里。<BR>EA=0关中断；EA=1开中断。这样定义即减少了程序行数，又避免了退出临界区后关中断造成的死机。<BR>MCS-51堆栈从下往上增长(1=向下，0=向上)，OS_STK_GROWTH定义为0<BR>#define
OS_TASK_SW() OSCtxSw()
因为MCS-51没有软中断指令，所以用程序调用代替。两者的堆栈格式相同，RETI指令复位中断系统，RET则没有。实践表明，对于MCS-51，用子程序调用入栈，用中断返回指令RETI出栈是没有问题的，反之中断入栈RET出栈则不行。总之，对于入栈，子程序调用与中断调用效果是一样的，可以混用。在没有中断发生的情况下复位中断系统也不会影响系统正常运行。详见《uC/OS-II》第八章193页第12行<BR>(3)改写OS_CPU_C.C<BR>我设计的堆栈结构如下图所示：<BR><IMG
height=374 src="在51系列单片机上移植uCOS.files/2004311205045734.jpg" width=553
border=0></FONT></P><FONT
color=#000080><BR>TCB结构体中OSTCBStkPtr总是指向用户堆栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆栈映像，即：用户堆栈空间大小=系统堆栈空间大小+1。<BR>SP总是先加1再存数据，因此，SP初始时指向系统堆栈起始地址(OSStack)减1处(OSStkStart)。很明显系统堆栈存储空间大小=SP-OSStkStart。<BR>任务切换时，先保存当前任务堆栈内容。方法是：用SP-OSStkStart得出保存字节数，将其写入用户堆栈最低地址内，以用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由系统栈向用户栈拷贝数据，循环SP-OSStkStart次，每次拷贝前先将各自栈指针增1。<BR>其次，恢复最高优先级任务系统堆栈。方法是：获得最高优先级任务用户堆栈最低地址，从中取出“长度”，以最高优先级任务用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由用户栈向系统栈拷贝数据，循环“长度”数值指示的次数，每次拷贝前先将各自栈指针增1。<BR>用户堆栈初始化时从下向上依次保存：用户堆栈长度（15），PCL，PCH，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出。<BR>OSTaskStkInit函数总是返回用户栈最低地址。<BR>操作系统tick时钟我使用了51单片机的T0定时器，它的初始化代码用C写在了本文件中。<BR>最后还有几点必须注意的事项。本来原则上我们不用修改与处理器无关的代码，但是由于KEIL编译器的特殊性，这些代码仍要多处改动。因为KEIL缺省情况下编译的代码不可重入，而多任务系统要求并发操作导致重入，所以要在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字。另外，“pdata”、“data”在uCOS中用做一些函数的形参，但它同时又是KEIL的关键字，会导致编译错误，我通过把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解决了此问题。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy这几个变量在汇编程序中用到了，为了使用Ri访问而不用DPTR，应该用KEIL扩展关键字IDATA将它们定义在内部RAM中。<BR>(4)重写OS_CPU_A.ASM<BR>A51宏汇编的大致结构如下：<BR>NAME 模块名 ;与文件名无关<BR>;定义重定位段
必须按照C51格式定义，汇编遵守C51规范。段名格式为：?PR?函数名?模块名<BR>;声明引用全局变量和外部子程序
注意关键字为“EXTRN”没有‘E’<BR>全局变量名直接引用<BR>无参数/无寄存器参数函数 FUNC<BR>带寄存器参数函数
_FUNC<BR>重入函数
_?FUNC<BR>;分配堆栈空间<BR>只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。切莫自己分配堆栈起点，只要用DS通知KEIL预留堆栈空间即可。<BR>?STACK段名与STARTUP.A51中的段名相同，这意味着KEIL在LINK时将把两个同名段拼在一起，我预留了40H个字节，STARTUP.A51预留了1个字节，LINK完成后堆栈段总长为41H。查看yy.m51知KEIL将堆栈起点定在21H，长度41H，处于内部RAM中。<BR>;定义宏<BR>宏名
MACRO 实体
ENDM<BR>;子程序<BR>OSStartHighRdy<BR>OSCtxSw<BR>OSIntCtxSw<BR>OSTickISR<BR>SerialISR<BR>END
;声明汇编源文件结束<BR><BR>一般指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据
详见C51.PDF第178页<BR>低位地址存高8位值，高位地址存低8位值。例如0x1234，基址+0:0x12
基址+1:0x34<BR><BR>(5)移植串口驱动程序<BR>在此之前我写过基于中断的串口驱动程序，包括打印字节/字/长字/字符串，读串口，初始化串口/缓冲区。把它改成重入函数即可直接使用。<BR>系统提供的显示函数是并发的，它不是直接显示到串口，而是先输出到显存，用户不必担心IO慢速操作影响程序运行。串口输入也采用了同样的技术，他使得用户在CPU忙于处理其他任务时照样可以盲打输入命令。<BR>(6)编写测试程序Demo(YY.C)<BR>Demo程序创建了3个任务A、B、C优先级分别为2、3、4，A每秒显示一次，B每3秒显示一次，C每6秒显示一次。从显示结果看，显示3个A后显示1个B，显示6个A和2个B后显示1个C，结果显然正确。<BR>显示结果如下：<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111 is
active<BR>BBBBBB333333 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>BBBBBB333333 is
active<BR>CCCCCC666666 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>BBBBBB333333 is
active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111 is active<BR>AAAAAA111111
is active<BR>BBBBBB333333 is active<BR>CCCCCC666666 is
active<BR>Demo程序经Keil701编译后，代码量为7-8K，可直接在KeilC51上仿真运行。<BR>编译时要将OS_CPU_C.C、UCOS_II.C、OS_CPU_A.ASM、YY.C加入项目</FONT>
<P></P>
<P><FONT color=#000080>文件名 : OS_CPU_A.ASM</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>$NOMOD51<BR>EA BIT 0A8H.7<BR>SP DATA 081H<BR>B DATA
0F0H<BR>ACC DATA 0E0H<BR>DPH DATA 083H<BR>DPL DATA 082H<BR>PSW DATA
0D0H<BR>TR0 BIT 088H.4<BR>TH0 DATA 08CH<BR>TL0 DATA 08AH</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>NAME OS_CPU_A
;模块名<BR><BR>;定义重定位段<BR>?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A SEGMENT
CODE<BR>?PR?OSCtxSw?OS_CPU_A SEGMENT CODE<BR>?PR?OSIntCtxSw?OS_CPU_A
SEGMENT CODE<BR>?PR?OSTickISR?OS_CPU_A SEGMENT CODE</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>?PR?_?serial?OS_CPU_A SEGMENT
CODE<BR><BR>;声明引用全局变量和外部子程序<BR>EXTRN IDATA (OSTCBCur)<BR>EXTRN IDATA
(OSTCBHighRdy)<BR>EXTRN IDATA (OSRunning)<BR>EXTRN IDATA
(OSPrioCur)<BR>EXTRN IDATA (OSPrioHighRdy)<BR><BR>EXTRN CODE
(_?OSTaskSwHook)<BR>EXTRN CODE (_?serial)<BR>EXTRN CODE
(_?OSIntEnter)<BR>EXTRN CODE (_?OSIntExit)<BR>EXTRN CODE (_?OSTimeTick)
<BR><BR>;对外声明4个不可重入函数<BR>PUBLIC OSStartHighRdy<BR>PUBLIC OSCtxSw<BR>PUBLIC
OSIntCtxSw<BR>PUBLIC OSTickISR<BR><BR>;PUBLIC SerialISR
<BR><BR>;分配堆栈空间。只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。<BR>?STACK SEGMENT
IDATA<BR>RSEG ?STACK<BR>OSStack:<BR>DS 40H<BR>OSStkStart IDATA
OSStack-1</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>;定义压栈出栈宏<BR>PUSHALL MACRO<BR>PUSH PSW<BR>PUSH
ACC<BR>PUSH B<BR>PUSH DPL<BR>PUSH DPH<BR>MOV A,R0 ;R0-R7入栈<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R1<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R2<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R3<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R4<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R5<BR>PUSH ACC<BR>MOV A,R6<BR>PUSH
ACC<BR>MOV A,R7<BR>PUSH ACC<BR>;PUSH SP
;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整<BR>ENDM<BR><BR>POPALL MACRO<BR>;POP ACC
;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整<BR>POP ACC ;R0-R7出栈<BR>MOV R7,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R6,A<BR>POP ACC<BR>MOV R5,A<BR>POP ACC<BR>MOV R4,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R3,A<BR>POP ACC<BR>MOV R2,A<BR>POP ACC<BR>MOV R1,A<BR>POP ACC<BR>MOV
R0,A<BR>POP DPH<BR>POP DPL<BR>POP B<BR>POP ACC<BR>POP
PSW<BR>ENDM<BR><BR>;子程序<BR>;-------------------------------------------------------------------------<BR>RSEG
?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A<BR>OSStartHighRdy:<BR>USING 0
;上电后51自动关中断，此处不必用CLR EA指令，因为到此处还未开中断，本程序退出后，开中断。<BR>LCALL
_?OSTaskSwHook</FONT></P>
<P><FONT color=#000080>OSCtxSw_in:<BR><BR>;OSTCBCur ===> DPTR
获得当前TCB指针，详见C51.PDF第178页<BR>MOV R0,#LOW (OSTCBCur)
;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据<BR>INC R0<BR>MOV DPH,@R0
;全局变量OSTCBCur在IDATA中<BR>INC R0<BR>MOV
DPL,@R0<BR><BR>;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR 获得用户堆栈指针<BR>INC DPTR
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