MicroC/OS-II在80C196上的移植实现
摘要：在嵌入式系统中使用实时操作系统，可以提高系统的稳定性、可靠性和实时性。MicroC/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核，并且开放源代码，得到了广泛应用。本文结合具体应用，介绍了MicroC/OS-II在80C196上移植实现过程和注意事项。
关键词：实时操作系统MicroC/OS-II80C196移植
在嵌入式系统开发中，很长时间以来，一直采用传统的嵌入式系统软件设计模式：无限循环＋中断服务。该模式下，主程序为一个无限循环，单任务顺序执行各个处理任务。在循环之外，设计一个或多个中断服务函数，用于处理异步事件。在相对简单的应用中，这种模式，完全可以胜任。而对于实时性要求较高、处理任务较多的应用，就会暴露出实时性差的缺点，甚至不能够达到应用的要求，系统可靠性低，稳定性差。引入实时操作系统，可以较好解决这个问题。
MicroC/OS-II是一个完整的，可移植、可固化、可剪裁的抢占式多任务实时内核，并且开放源代码，在嵌入式系统中得到了广泛应用。为了实现老系统功能升级，达到了不改变硬件设计，增加系统功能、提高系统性能的目的，从而采用该实时操作系统。本文介绍了将其移植应用于80C196的具体实现和注意事项。
所谓移植，就是使一个实时内核能够在其他微处理器或微控制器上运行。移植要做的是，修改或编写与处理器硬件相关的代码。由于80C196系统的资源有限，除了代码移植，还要根据具体应用，对MicroC/OS-II进行裁剪，以达到系统的设计要求。
1. MicroC/OS-II简介
MicroC/OS-II的系统结构见图1。
MicroC/OS-II最主要的特点之一是源代码开放，有利于用户根据具体应用对操作系统进行充分的裁减。这也使得其可移植性非常的强。
MicroC/OS-II是为嵌入式应用专门设计的，完全可与应用软件融合在一起，进行编译、连接，进而作为产品的一部分发布。
MicroC/OS-II是完全可剥夺型的实时内核，总是运行就绪任务中最高优先级的任务，即准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。
2. 移植的基本思路
2.1 编译器
采用TASKING公司的C196编译器，可以方便的嵌入汇编语言，因此该移植所有的函数都在OS_CPU_C.C中实现，没有文件。能够采用C语言编码的，尽量采用C语言编码；不能采用C代码的，采用嵌入汇编的方式。以此降低代码的分散度，提高代码的可读性。
2.2 代码移植
代码移植，需要修改或编写与处理器硬件相关的代码。包括与处理器相关的数据类型定义，函数定义，存储器操作等。其中的主要任务有
1） 重新编辑INCLUDES.H文件，增加与应用相关的头文件；改写OS_CPU.H文件；
2） 改写OS_CFG.H文件；编写OS_CPU_C.C；
3） 优化代码效率。
2.3 存储资源
由于80C196系统的物理资源十分有限，需要对系统内核进行充分的裁剪。
片内可用内存为220个字节，在系统中外部扩展3584（3.5K）个字节。为了提高系统速度，操作系统尽量使用片内存储区。系统应用中经常使用的变量，也需要分配在片内存储区。
为了节约存储资源采取以下措施
1） 裁剪不使用的功能模块和其使用相应变量。
2） 根据应用的需要裁剪所需资源的规模。例如，在应用中实际使用任务为6个，所以将OSRdyTbl由一个数组，更改为一个8位变量，并去掉OSRdyGrp，因为其永远是0。
3） 修改OS_InitTaskIdle内容，将OS_TaskIdle任务换为应用的最低优先级的任务。
4） 裁剪OS_TCB的内容。例如，永远不会使用的变量OSTCBY和OSTCBBitY。
5） 裁剪中断嵌套的相关内容。
2.4 时间资源
MicroC/OS-II推荐的时钟节拍为10～200ms，而本系统的实际时钟节拍为250μs，这样系统额外开销必然大幅度增加，系统时间资源十分紧张。
为了节约时间资源采取以下措施
1） 弃用OSTimeDly函数，直接操作任务定时器，调用OS_Sched函数。
2） 弃用OSIntExit和OSIntCtxSw函数，将其源代码直接加入软件定时器中断服务函数。
3） 降低其他中断服务函数的代码长度，且不进行任务切换，降低系统时钟的误差。
4） 根据编译得到的汇编代码，对部分C语言代码进行优化。
3. 移植实现
3.1 任务分配
一个任务，也称为一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于自己。每个任务有独立的堆栈空间和优先级。
根据每个任务的内容可以在相应位置，使任务就绪。而任务就绪和任务切换可以分开。例如，在接收中断中，使可以CAN通信任务就绪，但可以不进行任务切换，而在系统时钟函数中进行任务切换。系统总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。
3.2 时钟节拍
时钟节拍是特定的周期性中断，根据应用系统的需要，时钟节拍的周期为250μs，采用软件定时器实现。在该服务函数中实现任务切换，为了节省时间和存储资源，不进行函数调用。
软件定时器中断服务函数实现代码
void OSTickISR(void)
{
… …// 重置软件定时器
OS250usCount++; // 计数器加1
if((OS250usCount&0x03)==0) {
… …
OS1msCount++; // 1ms定时器
OS50msDly++; // 50ms定时器
OSRdyTbl |= 0x20; // 1ms定时到，就绪TaskChk任务
… … }
// OSIntExit() 中断退出任务切换
OSPrioHighRdy = OSUnMapTbl[OSRdyTbl]; // 取得最高优先级就绪任务的优先级
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur)// 判断当前任务优先级是否与最高优先级就绪任务的优先级相同
{
// OSIntCtxSw();
OSTCBCur-OSTCBStkPtr = psp; // 存储被中断任务的堆栈指针
OSTCBCur = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]; // 取得最高优先级就绪任务的TCB
OSPrioCur = OSPrioHighRdy; // 设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级
psp = OSTCBCur-OSTCBStkPtr; // 取得堆栈指针
asm{ // 现场恢复
pop dx; pop cx; pop bx; pop ax; popa;
ret; // 切换到最高优先级就绪任务，必须要有的
}
}
}
3.3 中断
由于中断的存在，任何代码在任何时候，都有可能被中断。而有些代码是不可分割的，如果被中断将会产生不可预料的后果。因此定义临界段，以处理不可分割的代码。一旦该部分代码开始执行，不允许任何中断插入。为了确保临界段代码的执行不被中断，在进入临阶段之前，必须关中断，临界段代码执行结束，开中断。
为80C196定义OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL
// 中断禁止函数
#define OS_ENTER_CRITICAL() asm DI
// 中断使能函数
#define OS_EXIT_CRITICAL() asm EI
3.4 其他代码实现
3.4.1 任务堆栈初始化函数
任务堆栈初始化函数代码
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{
… …
stk = (OS_STK*)ptos;
*--stk = (OS_STK)task; // 任务开始地址
*--stk = (OS_STK)0x0000|gimask; // PSW IMASK
*--stk = (OS_STK)0x0000|gimask1;// IMASK1 WSR
*--stk = (OS_STK)4; // DX
*--stk = (OS_STK)3; // CX
*--stk = (OS_STK)2; // BX
*--stk = (OS_STK)1; // AX
return ((OS_STK *)stk);
}
3.4.2 开始运行最高优先级就绪任务
系统开始运行时，调用该函数，以开始运行，其实现代码
void OSStartHighRdy(void)
{
OSRunning = TRUE; // 置系统正在运行标志
… …
OSTCBCur = OSTCBHighRdy; // 置当前TCB为最高优先级就绪任务的TCB
psp = OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr; // 取得堆栈指针
asm{ // 恢复现场
pop dx; pop cx; pop bx; pop ax; popa; // 转到新任务
}
}
3.4.3 现场切换函数
OS_Sched函数调用该函数实现真正的任务切换。
void OSCtxSw(void)
{
asm{ // 保存被中断任务的现场
pusha; push ax; push bx; push cx; push dx;
}
OSTCBCur-OSTCBStkPtr = psp; // 存储被中断任务的堆栈指针
OSTCBCur = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]; // 取得最高优先级就绪任务的TCB
OSPrioCur = OSPrioHighRdy; // 设当前任务优先级为最高优先级就绪任务的优先级
psp = OSTCBCur-OSTCBStkPtr; // 取得堆栈指针
asm{ // 现场恢复
pop dx; pop cx; pop bx; pop ax; popa;
}
}
4. 注意事项
在实现过程中的得到如下经验教训
1) 尽量减少任务的数量，以减少系统额外开销。相对少的任务数，可以减少，系统花在任务切换上的时间。
2) 合理分配各个任务的优先级。
3) 注意开中断、关中断的时机。
4) 注意入栈和出栈要匹配。如果堆栈指针出现错位，将会出现灾难性后果。特别注意中断服务函数的处理，其调用时的入栈内容和退出中断的出栈内容要对应，而中断退出有两种可能：正常退出和任务切换。
5) 合理选择定时器时间周期。
6) 同类型工作，也同样需要有优先级区分。例如：同样是通信任务，接收数据需要较高的优先级，而通信故障处理需要较低的优先级。一般情况下，通信处理都有一定的故障容忍时间，只要在容忍时间内得到处理就可以了。如果发生不可恢复性错误，故障处理将会占用大量的时间，如果在较高优先级，将会影响整个系统的性能。
5. 结论
通过在80C196上移植实现MicroC/OS-II，达到了不改变硬件设计，增加应用功能，提高了应用系统性能的目的。在嵌入式系统中使用嵌入式实时操作系统，不但可以提高系统的实时性、可靠性和稳定性，还可以提高应用软件的可移植性和可维护性，降低开发人员的工作量。因此，只要硬件环境允许，应尽量采用实时操作系统。
参考文献：
1. Jean se 着，邵贝贝等译，《嵌入式实时操作系统 μC/OS-II（第二版）》，北京航空航天大学出版社，2003年5月 第1版
2. 孙涵芳主编，《Intel 16位单片机》，北京航空航天大学出版社，1995年11月 第1版