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uC/OS-II的任務(wù)切換機理及中斷調(diào)度優(yōu)化
摘要：μC/OS-II是一種適用于嵌入式系統(tǒng)的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，開放源代碼，便于學(xué)習和使用。介紹μC/OS-II在任務(wù)級和中斷級的任務(wù)切換原理，以及這一操作系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)的對于中斷的處理；相對于內(nèi)存資源較少的單片機，著重討論一種優(yōu)化的實用堆棧格式和切換形式，以提高資源的利用率；結(jié)合MSP430單片機，做具體的分析。關(guān)鍵詞：實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OSMSP430中斷堆棧
引言
在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，由JeanJ.Labrosse開發(fā)的μC/OS，由于開放源代碼和強大而穩(wěn)定的功能，曾經(jīng)一度在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統(tǒng)會議（美國）的顧問委員會的成員。
不管是對于初學(xué)者，還是有經(jīng)驗的工程師，μC/OS開放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過對于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入了解，能更加方便地進行開發(fā)和調(diào)試；并且在這種條件下，完全可以按照設(shè)計要求進行合理的裁減、擴充、配置和移植。通常，購買RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學(xué)習者望而卻步；而μC/OS對于學(xué)校研究完全免費，只有在應(yīng)用于盈利項目時才需要支付少量的版權(quán)費，特別適合一般使用者的學(xué)習、研究和開發(fā)。自1992第1版問世以來，已有成千上萬的開發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)得到認證，現(xiàn)已經(jīng)通過美國FAA認證。
1μC/OS-II的幾大組成部分
μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個部分。
核心部分(OSCore.c)是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運行、中斷進出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。
任務(wù)處理部分(OSTask.c)任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因為μC/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當重要。
時鐘部分(OSTime.c)μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick（時鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時等操作是在這里完成的。
任務(wù)同步和通信部分為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。
與CPU的接口部分是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統(tǒng)，所以對于關(guān)鍵問題上的實現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。
2對于MSP430的中斷處理
2.1函數(shù)調(diào)用和中斷調(diào)用的操作
MSP430最常使用的C編譯器應(yīng)該就是IAREmbedd-edWorkBench。對于這一編譯器來說，通過分析和研究，發(fā)現(xiàn)它有以下規(guī)律。
(1)函數(shù)調(diào)用
如果是函數(shù)級調(diào)用，編譯器會在函數(shù)調(diào)用時先把當前函數(shù)PC壓棧，然后調(diào)用函數(shù)，PC值改變。
如果被調(diào)用的函數(shù)帶有參數(shù)，那么，編譯器按照以下的規(guī)則進行。
最左邊的兩個參數(shù)如果不是struct（結(jié)構(gòu)體）或者union（聯(lián)合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數(shù)剩下的參數(shù)都將被壓棧。根據(jù)最左邊的那兩個參數(shù)的類型，分別賦值給R12（對于32位類型賦值給R12:R13）和R14(對于32位類型賦值給R14:R15)。
(2)中斷調(diào)用
如果是在中斷中調(diào)用中斷服務(wù)子程序的話，編譯器將把當前執(zhí)行語句的PC壓棧，同時再把SR壓棧。接著，根據(jù)中斷服務(wù)子程序的復(fù)雜程度，選擇把R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統(tǒng)恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)，使程序接著被中斷的部分繼續(xù)運行。
圖3中斷發(fā)生時的任務(wù)棧壓棧操作
2.2任務(wù)級和中斷級的任務(wù)切換步驟和原理
(1)任務(wù)級的任務(wù)切換原理
μC/OS-II是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在沒有用戶自己定義的中斷情況下，任務(wù)間的切換步驟是這樣的：任務(wù)間的切換一般會調(diào)用OSSched()函數(shù)。函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：
voidOSSched(void){
關(guān)中斷
如果（不是中斷嵌套并且系統(tǒng)可以被調(diào)度）{
確定優(yōu)先級最高的任務(wù)
如果（最高級的任務(wù)不是當前的任務(wù)）{
調(diào)用OSCtxSw();
}
}
開中斷
}
我們把這個函數(shù)稱作任務(wù)調(diào)度的前導(dǎo)函數(shù)。它先判斷要進行任務(wù)切換的條件，如果條件允許進行任務(wù)調(diào)度，則調(diào)用OSCtxSw()。這個函數(shù)是真正實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的函數(shù)。由于期間要對堆棧進行操作，所以O(shè)SCtxSw()一般用匯編語言寫成。它將正在運行的任務(wù)的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把R4~R15壓棧。接著把當前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高優(yōu)先級的TCB->OSTCBStkPtr的值賦值給SP。這時候，SP就已經(jīng)指到最高優(yōu)先級任務(wù)的任務(wù)堆棧了。然后進行出棧工作，把R15~R4出棧。接著使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡單地說，μC/OS-II切換到最高優(yōu)先級的任務(wù)，只是恢復(fù)最高優(yōu)先級任務(wù)所有的寄存器并運行中斷返回指令（RETI），實際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。
(2)中斷級的任務(wù)切換原理
μC/OS-II的中斷服務(wù)子程序和一般前后臺的操作有少許不同，往往需要這樣操作：
保存全部CPU寄存器
調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting++
開放中斷
執(zhí)行用戶代碼
關(guān)閉中斷
調(diào)用OSIntExit();
恢復(fù)所有CPU寄存器
RETI
OSIntEnter()就是將全局變量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中斷嵌套層數(shù)的變量。μC/OS-II通過它確保在中斷嵌套的時候，不進行任務(wù)調(diào)度。執(zhí)行完用戶的代碼后，μC/OS-II調(diào)用OSIntExit()，一個與OSSched()很像的函數(shù)。在這個函數(shù)中，系統(tǒng)首先把OSIntNesting減1，然后判斷是否中斷嵌套。如果不是的話，并且當前任務(wù)不是最高優(yōu)先級的任務(wù)，那么找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，執(zhí)行OSIntCtxSw()這一出中斷任務(wù)切換函數(shù)。因為，在這之前已經(jīng)做好了壓棧工作；在這個函數(shù)中，要進行R15~R4的出棧工作。而且，由于在之前調(diào)用函數(shù)的時候，可能已經(jīng)有一些寄存器被壓入了堆棧。所以要進行堆棧指針的調(diào)整，使得能夠從正確的位置出棧。
3使用μC/OS-II存在的問題和解決方法
由于μC/OS-II在應(yīng)用的時候會占用單片機上的一些資源，如系統(tǒng)時鐘、RAM、Flash或者ROM，從而減少了用戶程序?qū)Y源的利用。對于MSP430來說，RAM的占用是特別突出的問題。對于8、16位的單片機來說，片內(nèi)的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片內(nèi)RAM也只有2KB，例如MSP430F149）。如果使用擴展內(nèi)存，會大大增加設(shè)計難度。
通過對μC/OS-II的分析可以得知，μC/OS-II占用的RAM主要是用在每個任務(wù)的TCB、每個任務(wù)的堆棧等方面。通過進一步分析，發(fā)現(xiàn)任務(wù)堆棧大的原因是因為MSP430的硬件設(shè)計中沒有把中斷堆棧和任務(wù)堆棧分開。這樣就造成了在應(yīng)用μC/OS-II的時候，考慮每個任務(wù)的任務(wù)堆棧大小時，不單單需要計算任務(wù)中局部變量和函數(shù)嵌套層數(shù)，還需要考慮中斷的最大嵌套層數(shù)。因為，對于μC/OS-II原始的中斷處理的設(shè)計、中斷處理過程中的中斷嵌套中所需要壓棧的寄存器大小和局部變量的內(nèi)存大小，都需要算在每個任務(wù)的任務(wù)堆棧中，則對于每一個任務(wù)都需要預(yù)留這一部分內(nèi)存，所以大量的RAM被浪費。從這里可以看出，解決這一問題的直接方法就是把中斷堆棧和每個任務(wù)自己的堆棧分開。這樣，在計算每個任務(wù)堆棧的時候，就不需要把中斷處理中（包括中斷嵌套過程中）的內(nèi)存的占用計算到每個任務(wù)的任務(wù)堆棧中，只需要計算每個任務(wù)本身需要的內(nèi)存大小，從而提高了RAM的利用率，可以緩解內(nèi)存緊張的問題。
在這種設(shè)計方案中，中斷堆棧區(qū)也就是利用原有的MSP430中的系統(tǒng)堆棧區(qū)。在前后臺的設(shè)計形式中，中斷中的壓棧和出棧的操作都是在系統(tǒng)的堆棧區(qū)完成的�；讦藽/OS-II的任務(wù)切換的原理，我們對于任務(wù)堆棧的功能和系統(tǒng)堆棧的功能做了以下劃分：任務(wù)在運行過程中產(chǎn)生中斷和任務(wù)切換的時候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各個任務(wù)自己的任務(wù)堆棧中；而中斷嵌套產(chǎn)生的壓棧和出棧的操作都是放在系統(tǒng)堆棧中進行的。這種劃分方式是基于盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開的思想設(shè)計的。
從前面對于IAREW的默認操作分析來看，堆棧的結(jié)構(gòu)可以有兩種。一種是把μC/OS-II的任務(wù)堆棧設(shè)計成圖1所示的形式。這種方法是把編譯器默認的壓棧操作放在前面，然后再把剩下的寄存器進棧。但是，由于編譯器在處理復(fù)雜程度不同的中斷服務(wù)程序的時候，壓入棧的寄存器的數(shù)量不定，所以會對以后其余寄存器的壓棧和出棧操作增加復(fù)雜度。這里，我們采用了圖2所示的方式生成堆棧。在這種堆棧中，PC和SR壓棧后，通過調(diào)整SP指針，使得R4~R15寄存器覆蓋編譯器默認壓棧的寄存器。這樣，處理的難度會小一點。
對于這樣的設(shè)計方式，CPU必須能夠：
◆有相應(yīng)的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能，能使用相應(yīng)的指令來完成類似SP的一些操作；
◆作為SP使用的寄存器在編譯過程中最好不被編譯器默認使用。在IAR的編譯器中，有一個選項可以避免在編譯過程中使用到R4、R5。
這兩點MSP430都可以做到。
下面對一個正在運行的優(yōu)先級為6的任務(wù)中斷后，會發(fā)生的幾種情況進行分析。
1）在中斷的處理過程中沒有更高優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生，即不會產(chǎn)生中斷嵌套。
圖3所示為中斷發(fā)生后對于任務(wù)優(yōu)先級為6的任務(wù)堆棧所進行的操作。中斷發(fā)生后，PC和SR被系統(tǒng)壓棧②，對于IARC編譯器來說，會按照復(fù)雜度不同的中斷服務(wù)程序的要求，默認地進行一些寄存器的壓棧操作③。因為我們要求的堆棧格式是如圖2所示的，我們要把SP調(diào)整到SR后面④，然后進行R4~R15的壓棧操作，形成我們所要求的堆棧格式⑤。
進行任務(wù)堆棧的壓棧工作以后，就可以調(diào)整SP的指針到系統(tǒng)堆棧了，如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個壓棧內(nèi)容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級6任務(wù)的TCB->OSTCBStkPtr，以便進行任務(wù)調(diào)度的時候出棧使用②。接著，就把SP調(diào)整到系統(tǒng)堆棧處③。在中斷處理過程中，可能會出現(xiàn)壓棧的操作，那么這種情況下SP的指針會隨之移動。由于現(xiàn)在是中斷堆棧中，所以不會破壞任務(wù)堆棧的格式。
由于沒有中斷嵌套，在中斷處理中沒有別的中斷發(fā)生，那么返回的步驟和上述的進棧操作正好相反。在中斷處理完了以后，SP會自動回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會查詢到優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧，進行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。因為我們把所有的任務(wù)堆棧都規(guī)定成相同的格式，所以它們之間不會產(chǎn)生問題。這里需要注意的是，因為系統(tǒng)在C編譯器的中斷處理中會對中斷進入時默認壓棧的寄存器出棧，所以在設(shè)計出棧的程序時，要先把這些內(nèi)容壓棧，這樣才能正確出棧。
2）在中斷的處理過程中，有別的中斷產(chǎn)生，產(chǎn)生中斷嵌套。
如圖5所示，由于在處理中斷的時候，SP已經(jīng)被移到系統(tǒng)堆棧去了，只有當中斷退出的時候才可能把SP移到別的任務(wù)的任務(wù)堆棧中。所以在中斷的時候進行中斷嵌套，那么對于中斷的處理和第一次是一樣的，所不同的是，這次保存在堆棧中的不是任務(wù)運行中的寄存器，而是中斷處理中的寄存器，而且是保存在系統(tǒng)堆棧中而不是任務(wù)堆棧中。從這里就可以看出優(yōu)化內(nèi)存的效果。所有的中斷嵌套中的寄存器壓棧都壓在系統(tǒng)堆棧中，這樣對于任務(wù)堆棧內(nèi)存大小的要求大大降低。
因為μC/OS-II在進入中斷中，會把全局變量OSIntNesting++；在退出中斷的時候，又會把OSIntNesting--。在退出中斷進行任務(wù)切換之前，μC/OS-II會先判斷OSIntNesting是否為0，是0才會進行任務(wù)調(diào)度。當?shù)诙袛噙\行結(jié)束以后，退出中斷嵌套的時候，OSIntNesting不為0，也就不會進行任務(wù)調(diào)度。因此，仍舊在系統(tǒng)堆棧出棧，那么系統(tǒng)會繼續(xù)前面沒有完成的中斷服務(wù)程序。
接著退出中斷的順序和非中斷嵌套的順序是一樣的。在中斷處理完以后，SP會自動回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會查詢到優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧。進行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。
中斷的情況基本上就是上述兩種。對于有些文獻中提到的在中斷中會調(diào)度到更高優(yōu)先級的任務(wù)的情況，筆者覺得是不應(yīng)該發(fā)生的。因為從上面的分析可以看出，默認的（μC/OS-II的設(shè)計思路）中斷處理會同時對全局變量OSIntNesting進行增減處理，以給出是否需要任務(wù)調(diào)度的條件。那么即使在中斷服務(wù)程序中把更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，也會等到中斷退出以后再進行調(diào)度，除非是在中斷中直接調(diào)用更高優(yōu)先級的任務(wù)函數(shù)。但這種方法應(yīng)該是和μC/OS-II的原則相違背的，沿用的是以前前后臺設(shè)計的思路。
對于這樣的設(shè)計方式，時鐘節(jié)拍的處理方式必須和一般的中斷處理方式是一樣的。一般來說，MSP430使用WATCHDOG時鐘中斷作為時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生源。從本質(zhì)上來說，時鐘節(jié)拍本身也是中斷處理過程，所以對于時鐘節(jié)拍的處理應(yīng)該和其它的中斷處理過程相同。實際上，在時鐘節(jié)拍的處理過程中也可能會存在中斷嵌套的問題。
中斷堆棧和任務(wù)堆棧分離設(shè)計的程序流程如圖6所示。
4幾點建議
①編寫中斷程序的時候，有條件盡量使用匯編語言。因為這樣可以避免一些編譯器自己進行的操作，減少指針調(diào)整的次數(shù)。
�、谠谟肅編寫中斷服務(wù)的時候，因為有些功能必須調(diào)用匯編的函數(shù)才能實現(xiàn)。調(diào)用函數(shù)時，有些時候壓棧的PC會破壞堆棧的結(jié)構(gòu)。這個時候需要把堆棧進行適當?shù)恼{(diào)整，保證堆棧格式的正確。
③中斷處理過程中調(diào)用OSIntExit()的時候，由于μC/OS-II的原始設(shè)計中SP指針有時是不調(diào)整的，所以在OSIntExit()返回了以后，還要判斷一下是否中斷嵌套。因為有的時候是需要切換任務(wù)的。
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