【摘要】μC/OS-Ⅱ是一個源碼公開的實時嵌入式操作系統，它的特點在于公開的源代碼，很強的移植性，占先式多任務，每個任務有單獨的棧，中斷管理及很強的穩定性與可靠性等，目前越來越受到實時嵌入式系統設計者的關注，本文詳細講述了如何把uC/OS-II操作系統移植到M16C62單片機中，并給出了以M16C62單片機為核心處理器構成的一個實時多任務系統的設計方案。 【關鍵詞】嵌入式操作系統、 uC/OS-II、 M16C62 單片機、 實時、 多任務 前言 隨著微電子技術和網絡的發展，人們對網絡的認識日益深入。網絡終端產品也越來越受到人們的關注，嵌入式操作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。基于某個操作系統的實時、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是一個公開源代碼的嵌入式操作系統，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：內存管理；在任務建立、刪除、任務切換、時鐘節拍切換處理過程中，允許用戶調用自定義的函數；支持任務控制塊（TCB）功能擴展；能效驗各堆棧使用情況；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族單片機融合了基于寄存器和基于存儲器型兩種結構的優點，從而能夠實現類似RISC的高速處理性能。M16C62單片機具有超低功耗、極強的抗干擾能力和很高的C語言編程效率等特點，片內集成了10位A/D轉換器、DMA控制器、異步通信通道、定時器等豐富的周邊功能電路模塊，非常適合應用在小型實時、多任務、嵌入式系統中【1】。把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，就可以構成一個實時多任務應用系統。下面就來談談如何把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以此設計一個實時多任務系統。 1、uC/OS-II的移植 uC/OS-II采用完全占先式的實時內核，最多可以管理56個任務，每個任務對應一個不同的優先級，因而，uC/OS-II操作系統并不支持時間片輪轉調度法。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于應用程序任務的多少。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序的需要進行分配，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，如果優先級更高的任務被中斷喚醒，則高優先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執行，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匯編寫的，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頭文件 OS_CUP.H頭文件主要是定義和處理器有關的數據類型，在M16C62中的數據類型包括無符號整型、有符號整型、無符號字符型、有符號字符型等。因此，OS_CPU.H頭文件對這些類型進行全新的定義。除了和處理器有關的數據類型定義外，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文件 在OS-CPU-A.ASM文件中包含四個匯編語言的函數：OSStartHighRdy（）、OSCtxsw（）、OSIntCtxsw（）、OSTickISR（）。在uC/OS-II中處于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。要想運行最高優先級任務，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復出來，并且通過一條中斷返回語句來實現任務的切換。因而，OSStartHighRdy（）就是使要恢復的任務堆棧指針指到任務控制塊的0偏址的內存單元中。也就是要把保存在任務堆棧中的數據以及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，并把當前堆棧指針指到PC指針的位置。 在uC/OS-II中任務的切換問題是通過發軟件中斷命令或依靠處理器執行陷阱指令來完成的。但是中斷服務例程、陷阱或異常處理例程的向量地址必須指向OSCtxSw（）【1】。在M16C62單片機中可以通過定義軟件中斷0來完成任務的切換。因而，在M16C62中的中斷向量表中的0號軟件中斷地址指向OSCtxSW（）。對應的中斷號為0。 OSInCtxSw（）用來在ISR中執行切換功能。由于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保存了。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文件 在這個C文件中包含6個簡單的C函數，而這6個函數中和移植關系最密切的OSTaskInit（）函數，這個函數是用來創建一個任務堆棧。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文件中，任務的切換是通過調用一個軟中斷0來實現任務切換，通過中斷的返回指令使堆棧中的數據返回到CPU寄存器，使最高優先級的任務占有CPU，因而，OSTaskInit（）函數要做的就是模擬中斷發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：用戶堆棧和中斷堆棧，而在uC/OS-II進行任務切換是通過軟中斷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，響應中斷后堆棧的狀態如圖（一）所示： [align=center] 圖（一）：響應中斷后的堆棧狀態[/align] 中斷堆棧中依次保存程序計數器PC和標志寄存器FLG中的內容，因此，在OSTaskStkInit（）函數中就是要模擬這樣的一個壓棧過程。先壓入FLAG的高四位和PC指針的高四位，接著壓入FLAG低位、PC中間八位和PC的低八位。在保存完PC和FLAG位后就應該為CPU的寄存器FB、SB、A1、A0、R3、R2、R1和R0分配相應存儲空間【3】。OSTaskInit（）函數返回的是任務堆棧的指針。 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為操作系統構成一個實時多任務系統，系統包括一個基于SPI總線的溫度傳感器（DS1722）、一個基于I2C總線的實時鐘（X1226）、一個LCD（JM202A）和鍵盤。M16C62工作在微處理器模式，片外擴展一個32K×16位的RAM（Cy7c1021b）和由兩片EEPROM（EEP29010-90）構成的存儲器。多任務系統的設計主要包括：單片機資源分配和多任務設計兩個方面。 （1）、M16C62單片機資源分配 M16C62單片機是一個16位單片機，線性尋址空間是1M，但片內的RAM大小只有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中所有內核代碼必須在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配置文件，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這兩個文件，完成對CPU的初始化，和資源分配，主要包括：存儲器空間、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，還包括實時鐘任務、溫度采集任務和鍵盤中斷任務和數據存儲任務。實時鐘主要是能精確記錄系統的日期，任務優先級為10，該任務處于一直工作狀態；溫度采集任務的優先級為20，主要是完成溫度數據的采集；數據存儲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，任務優先級為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范圍，溫度采集任務就會發出一個有效信號量使處于掛起態的數據存儲任務轉為就緒態。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。系統的程序流程圖如圖（二）所示。 3、結束語 把uC/OS-II移植到M16C62單片機中，并以M16C62單片機為微處理器構成一個實時多任務系統，不僅系統設計簡潔、硬件結構相對與51系列單片機來說也要簡單，而且具有較強的抗干擾能力和系統穩定性。以M16C62為微處理器，以uC/OS-II為實時操作系統構成的多任務系統能廣泛應用在小型實時多任務系統中，具有較好的應用前景。 [align=center] 圖（二）：系統主程序流圖[/align] 4、參考文獻 （1）、陸延豐、常清璞、朱璇編著 三菱M16C62單片機原理和應用 北京航空航天大學出版社 （2）、uC/OS-II－源碼公開的實時嵌入式操作系統 JEAN J.LABROSSE 著 邵貝貝譯 中國電力出版社 （3）、伊彥芝 編著 C語言高級實用教程 清華大學出版社 （4）、MITSUBISHI ELECTRIC M16C/62 Group manual （5）、MITSUBISHI ELECTRIC NC30 Compile User｀s Manual （6）、MITSUBISHI ELECTRIC AS30 Assembler User｀s Manual