基于MSP430单片机的实时多任务操作系统

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:实时多任务操作系统(RTOS)能有效提高嵌入式平台的资源利用效率,是嵌入式应用的必然趋势。本文阐述基于MSP430F149的RTOS——M430/OS。它由汇编写成、短小精干、占用系统资源少、运行稳定可靠,目前已在思达高科配网技术公司产品上得到应用。 关键词:RTOS 任务调度 MSP430 引 言 1 在MSP430上使用RTOS的意义   一般的观点认为,MSP430上使用RTOS是没有意义的这是可以理解的。因为MSP430的硬件资源有限(以MSP430F149为例,只有2KB RAM),任何商业操作系统都不可能移植到MSP430上。目前在MSP430上得到应用的RTOS,只有μC/OS-II,但使用μC/OS-II 必须有昂贵的C编译器,这严重地限制了其在MSP430上的使用。   正是基于以上情况,笔者在应用MSP430过程中,编写了一个基于MSP430F149的RTOS,暂定名为M430/OS。它占用RAM量少、代码短小,稍加改动就可适用于大多数其它MSP430单片机。   在MSP430单片机系统上使用M430/OS,对系统有以下意义:   ① 实现软件设计的模块化。可将不同的功能模块编制成相应的任务,由操作系统按级别调用,不必为先执行哪个功能、后执行哪个功能而费神。   ② 能更合理、有效地利用CPU有限的资源。按任务的重要程度安排任务的级别,能够保证最重要的任务得以最及时执行。   ③ 大大降低系统故障率。低优先级的任务发生阻塞时,高优先级任务的执行不受影响。 2 M430/OS在MSP430F149上的实现 2.1 M430/OS功能特点   M430/OS有以下特点:   ① 采用占先式内核,即高优先级的任务可以从低优先级任务“抢”回CPU控制权;   ② 每个任务都单独开辟一个任务栈;   ③ 每个任务占十几到几百字节的任务堆栈,任务栈的大小可以根据任务中现场数据、局部变量和嵌套调用的情况估算;   ④ 每个任务各分配一个优先级,不支持两个任务有相同的优先级;   ⑤ 不支持信号量、邮箱功能;   ⑥ 任务状态只有三种:运行(executing)、就绪(ready)、挂起(suspended);   ⑦ 系统占用RAM量=((任务个数+1)%26;#215;4)+6字节,不包括任务堆栈;   ⑧ 代码量少,目前版本的代码共有86行汇编代码,256字节目标代码;   ⑨ 理论上最多支持126个任务;   ⑩ 任务锁定功能:在一段低优先级的代码中,不想让操作系统把CPU权切换到别的任务,这时可以把这代码锁定,在运行这段代码时,就不会引起任务切换;   任务唤醒功能:在一个任务中产生一个的事件来触发其它任务运行(如果被触发的任务优先级高的话,就会马上运行)。 2.2 系统函数介绍   ① OS_Init:多任务初始化,进行任务栈(任务栈的结构见图1)、任务延时计数、任务状态的初始化。初始化完成后,系统直接切换到最高优先级的任务,多任务系统启动。   ② OS_Time_Dly:把当前任务挂起一段指定时间让其它任务运行。   ③ OS_Sched:任务调度,它先把每个任务的延时数减1,然后再找出最高优先级的就绪任务,并切换到这个就绪任务。如果无就绪任务,就切换到空闲任务。   ④ OS_Free_Task:空闲任务,是一个很重要的系统任务,当所有任务都挂起时,运行此任务。它主要是对一个计数器Free_Count一直进行累加,用户可以根据这个计数器计算出CPU的利用率。   ⑤ OS_Task_Lock:锁定任务调度,禁止任务调度。主要用来锁定在低优先级中的一些可重入的代码或一些重要代码。   ⑥ OS_Task_Unlock:解锁任务调度,和上面的子程序功能相反。   ⑦ OS_Task_Wakeup:唤醒指定优先级的任务,并产生一次任务调度,如果被唤醒任务的优先级比当前运行的任务的优先级高,任务就会切换到被唤醒的任务中,否则等待下一个调度时机。 2.3 主要功能的实现 (1)任务初始化   系统加电运行后,首先对硬件资源进行初始化,接着就要对多任务进行初始化了。主要是初始化每个任务的任务栈、每个任务的时钟滴答数和堆栈指针位置。我们把每个任务栈都初始化成图1形式。   任务栈的初始化如下程序(r11是用来初始任务堆栈的一个指针,r10是一个循环计数器): mov.w #(栈底 + 2) , r11 clr.w Task_Tick(r10) ;清0时钟滴答数 mov.w #任务首地址 , 0(r11) ;把任务地址压入堆栈 mov.w SR , -2(r11) ;把标志寄存器放入任务栈 mov.w r11 , Task_SP(r10) sub.w #现场所占的字节数 , Task_SP(r10) ;SP位置放 ;入堆栈   初始化完任务栈之后,就把堆栈指针指向最高任务优先级任务栈的任务首地址处,再执行ret返回。这样,多任务就启动开了,程序如下: mov.w #09feh , sp ;最高优先级的任务栈任务首地 ;址位置 ret ;返回到最高优先级的任务 任务初始化的流程如图2所示。 (2)时钟节拍   时钟节拍由MSP430F149的TimerA产生。TimerA工作于上升模式,CCR0中是TimerA计数最大值。TimerA初始化代码如下: bis.w #(TASSEL1+TACLR+MC_1),%26;amp;TACTL mov.w 2(sp),%26;amp;CCR0 ;计数最大值,此值决定时钟节拍 bis.w #CCIE,%26;amp;CCTL0 (3)任务调度   应用程序调用OS_init进行初始化后,直接切换到最高优先级的任务。   每个任务在运行一个循环后执行OS_ Time_Dly挂起。这是通过把该任务的延时数填到该任务的Task_ Tick中,然后再执行任务调度程序实现。 任务调度就是在定时中断时对所有任务的Task_ Tick减1,然后再按优先级高低的顺序查找Task_Tick减到0的任务,并直接跳到任务切换程序。 下面是任务切换程序(r10的内容是就绪任务的标志,由调度程序找出): pushALL ;把当前任务现场入栈 mov.b Now_Task,r11 ;当前任务标志放r11 mov.w sp,Task_SP(r11) ;保存当前任务堆栈指针 mov.b r10,Now_Task ;就绪任务标志变为当前任务标志 mov.w Task_SP(r10),sp ;就绪任务的任务栈指针放入SP ;此时再进行堆栈操作就是对就绪任务的任务栈操作了。 popALL ;把就绪任务的现场出栈 reti ;中断返回,返回到就绪任务   任务调度的调度时机有两种:一种是在任务挂起时,一种是定时中断。任务挂起时的任务调度一定会引起任务切换,定时中断就不一定引起任务切换了。因为,如果就绪任务是当前正在运行的任务时不会引起切换。正是如此,任务调度是RTOS中执行得最频繁的一个功能,也是最重要的一个功能,所以必须尽量缩减其代码量,尽量用可靠的调度算法来减少任务调度所占的时间。这个子程序的流程如图3所示。 (4)任务锁和其它功能的实现   任务的加锁与解锁,是为了使一些在低优先级任务的不可重入代码,或对实时性要求较高的I/O操作在执行中不产生任务切换。这项功能是通过设置一个标志位实现的。当调度程序检查到任务被锁定时,就算有就绪任务也必须等开锁之后才能切换。 如果系统突然产生一个事件要某个挂起的任务来处理,可以在事件产生的程序中调用任务唤醒。它的原理是把Task_Tick清0,然后执行一次任务调度。如果这个任务优先级较高,就直接切换到这个任务里执行。 3 总 结   M430/OS已在笔者开发的基于MSP430F149的系统上应用,运行稳定可靠。该操作系统稍加改动,就可应用于其它MSP430单片机。当然,它的功能还是很有限的,也可能还存在一些尚未暴露的问题;但无论如何,它向我们证明,在MSP430单片机系统中使用RTOS是完全可能的。M430/OS源程序见本刊网站(http://www.dpj.com.cn)。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/12192.html
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