基于MSP430单片机的实时多任务操作系统

2009年06月18日 08:06    MSP430
关键词: MSP430 , 操作系统 , 单片机 , 多任务 , 实时
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。
  
  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2KBRAM),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)×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。
  



图1  初始化好的任务栈结构


    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。
  



图2  任务初始化流程


  (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),&TACTL
mov.w 2(sp),&CCR0 ;计数最大值,此值决定时钟节拍
bis.w #CCIE,&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。
  



图3  任务调度流程


  (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)。
    希望有兴趣的同志与我们交流。刘兵:public_rtos@163.com 张庆强:starzqq@163.com
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