μC/OS-II在C8051F上的移植
摘要： 在嵌入式應用中，使用RTOS的最主要原因是提高系統的可靠性，其次是提高開發效率、縮短開發周期。μC/OS-II 是一個基于優先級的搶占式實時內核，支持56 個用戶任務，90%的代碼使用標準的ANSI C語言書寫，程序可讀性強，移植性好，代碼可固化，可裁剪，非常靈活。C8051F是美國Cygnal公司生產的與51系列兼容的微控制器，流水線指令結構70%的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期。當時鐘頻率為25MHz時，速度可達25MIPS，是一款不錯的片上系統。
Abstract：
Key words :
在嵌入式應用中，使用RTOS的最主要原因是提高系統的可靠性，其次是提高開發效率、縮短開發周期。μC/OS-II 是一個基于優先級的搶占式實時內核，支持56 個用戶任務，90%的代碼使用標準的ANSI C語言書寫，程序可讀性強，移植性好，代碼可固化，可裁剪，非常靈活。C8051F是美國Cygnal公司生產的與51系列兼容的微控制器，流水線指令結構70%的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期。當時鐘頻率為25MHz時，速度可達25MIPS，是一款不錯的片上系統。
1 開發工具和運行環境
實現μC/OS-II的移植，要求所用的C編譯器支持混合編程。KEIL C51可為眾多的8051派生器件編程。我們選用的是KEIL7.02集成開發環境，仿真板基于C8051F015芯片。
2 移植中所需修改的文件
和CPU相關的文件主要有三個，分別是匯編文件OS_CPU_A.ASM、C語言文件 OS_CPU_C.C和頭文件OS_CPU.H。
2.1 OS_CPU.H文件
OS_CPU.H文件中定義了數據類型及與硬件相關的基本信息。其中改動部分如下：
typedef unsigned char OS_STK; /* 堆棧的寬度為8位 */
OS_CPU_EXT INT8U IE_SHADOW;
#define OS_ENTER_CRITICAL() IE_SHADOW = IE; IE &= 0x7F /* 關中斷 */
#define OS_EXIT_CRITICAL() IE = IE_SHADOW
/* 恢復中斷 */
#define OS_STK_GROWTH 0
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()
在C8051F中，堆棧都是按字節操作的，故數據類型OS_STK聲明為8位。方向從低地址向高地址方向遞增，所以OS_STK_GROWTH設置為0。μC/OS-II在進入系統臨界代碼區之前要關中斷，等到退出臨界區后再打開，以保護核心數據不被多任務環境下的其它任務或中斷破壞。開、關中斷可通過設置SFR中的中斷屏蔽位實現。在關中斷時，先將IE的內容保存在全局變量IE_ SHADOW中，然后關中斷；退出臨界區時，還原IE_SHADOW的值。OS_TASK_SW()用來實現任務切換。就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發生后的樣子，堆棧中應該按入棧次序設置好各個寄存器。OS_TASK_SW()函數模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進行任務切換。由于C8051F015沒有軟中斷，故直接定義宏OS_TASK_SW()為函數OSCtxSw()。
//-------------------------------------------------
//-- www.icwin.net
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2.2 OS_CPU_A.ASM文件
編譯器將每個文件作為一個模塊，編譯模塊以主名命名，稱為編譯模塊名，用NAME 來聲明。因此，應在文件頭部聲明NAME OS_CPU_A。
函數有程序部分和局部變量部分，它們分別放在獨立的段中。在大模式下，段名聲明的固定格式為 ?PR?函數名?模塊名 SEGMENT CODE。因此需要將OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()用上面的格式一一聲明。如?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A SEGMENT CODE，本模塊實現的函數需要用PUBLIC聲明，如PUBLIC OSStartHighRdy等。
C51將所有定義說明的數據標識符轉換為大寫字符，對函數則根據有無寄存器參數傳送和函數是否可重入進行換名，如：void OSIntEnter(void) reentrant函數的名字OSIntEnter換成_?OSIntEnter。這些規則可從編譯后的LST文件中看出。程序中聲明引用的五個全局變量為OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy，聲明格式是EXTRN IDATA (OSTCBCur)等。調用四個外部子程序OSTaskSwHook()、OSIntEnter()、OSIntExit()、OSTimeTick()，固定格式為：EXTRN CODE (_?OSTaskSwHook)等。
由于C8051F的堆棧指針只有8位，只能指向內部數據區的256個字節，因此，當前運行的任務的堆棧在IDATA區，堆棧大小為40H(64字節)，堆棧起點由KEIL決定。通過標號可以獲得KEIL分配的SP起點，代碼如下：
?STACK SEGMENT IDATA
RSEG ?STACK
OSStack:
DS 40H
OSStkStart IDATA OSStack-1
為簡化子程序特定義壓棧出棧宏。壓棧的次序為PSW、ACC、B、DPL、DPH、R0~R7，出棧的次序與入棧相反。
實現μC/OS-II的移植，要求所用的C編譯器支持混合編程。KEIL C51可為眾多的8051派生器件編程。我們選用的是KEIL7.02集成開發環境，仿真板基于C8051F015芯片。
2 移植中所需修改的文件
和CPU相關的文件主要有三個，分別是匯編文件OS_CPU_A.ASM、C語言文件 OS_CPU_C.C和頭文件OS_CPU.H。
2.1 OS_CPU.H文件
OS_CPU.H文件中定義了數據類型及與硬件相關的基本信息。其中改動部分如下：
typedef unsigned char OS_STK; /* 堆棧的寬度為8位 */
OS_CPU_EXT INT8U IE_SHADOW;
#define OS_ENTER_CRITICAL() IE_SHADOW = IE; IE &= 0x7F /* 關中斷 */
#define OS_EXIT_CRITICAL() IE = IE_SHADOW
/* 恢復中斷 */
#define OS_STK_GROWTH 0
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw()
在C8051F中，堆棧都是按字節操作的，故數據類型OS_STK聲明為8位。方向從低地址向高地址方向遞增，所以OS_STK_GROWTH設置為0。μC/OS-II在進入系統臨界代碼區之前要關中斷，等到退出臨界區后再打開，以保護核心數據不被多任務環境下的其它任務或中斷破壞。開、關中斷可通過設置SFR中的中斷屏蔽位實現。在關中斷時，先將IE的內容保存在全局變量IE_ SHADOW中，然后關中斷；退出臨界區時，還原IE_SHADOW的值。OS_TASK_SW()用來實現任務切換。就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發生后的樣子，堆棧中應該按入棧次序設置好各個寄存器。OS_TASK_SW()函數模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進行任務切換。由于C8051F015沒有軟中斷，故直接定義宏OS_TASK_SW()為函數OSCtxSw()。
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//-- www.icwin.net
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2.2 OS_CPU_A.ASM文件
編譯器將每個文件作為一個模塊，編譯模塊以主名命名，稱為編譯模塊名，用NAME 來聲明。因此，應在文件頭部聲明NAME OS_CPU_A。
函數有程序部分和局部變量部分，它們分別放在獨立的段中。在大模式下，段名聲明的固定格式為 ?PR?函數名?模塊名 SEGMENT CODE。因此需要將OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()和OSTickISR()用上面的格式一一聲明。如?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A SEGMENT CODE，本模塊實現的函數需要用PUBLIC聲明，如PUBLIC OSStartHighRdy等。
C51將所有定義說明的數據標識符轉換為大寫字符，對函數則根據有無寄存器參數傳送和函數是否可重入進行換名，如：void OSIntEnter(void) reentrant函數的名字OSIntEnter換成_?OSIntEnter。這些規則可從編譯后的LST文件中看出。程序中聲明引用的五個全局變量為OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy，聲明格式是EXTRN IDATA (OSTCBCur)等。調用四個外部子程序OSTaskSwHook()、OSIntEnter()、OSIntExit()、OSTimeTick()，固定格式為：EXTRN CODE (_?OSTaskSwHook)等。
由于C8051F的堆棧指針只有8位，只能指向內部數據區的256個字節，因此，當前運行的任務的堆棧在IDATA區，堆棧大小為40H(64字節)，堆棧起點由KEIL決定。通過標號可以獲得KEIL分配的SP起點，代碼如下：
?STACK SEGMENT IDATA
RSEG ?STACK
OSStack:
DS 40H
OSStkStart IDATA OSStack-1
為簡化子程序特定義壓棧出棧宏。壓棧的次序為PSW、ACC、B、DPL、DPH、R0~R7，出棧的次序與入棧相反。
· PUSHALL MACRO
IRP REG,
PUSH REG
ENDM
POPALL MACRO
IRP REG, <7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, DPH, DPL, B, ACC, PSW>
POP REG
ENDM
2.3 OS_CPU_C.C文件
移植μC/OS-II 需要在OS_CPU_C.C中定義六個函數,而實際上需要定義的只有OSTaskStkInit()一個函數。該函數用來初始化任務的堆棧。初始狀態的堆棧只須初始化?C_XBP (仿真堆棧指針)、任務地址及堆棧的長度。由于只有INC DPTR指令，故返回棧的最低地址，且最低地址處存放棧的長度，方便用匯編語言實現任務的切換。堆的大小可根據任務的實際情況自行確定，由參數ppdata所指的值確定。
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *ppdata,
void *ptos, INT16U opt) reentrant
{
OS_STK *stk;
INT8U HeapSize;
HeapSize=*(INT8U *)ppdata;
opt = opt;
stk = (OS_STK *)ptos+HeapSize+2;
*stk++ = 15;
*stk++ = (INT16U)task & 0xFF;
*stk++ = (INT16U)task >> 8;
stk = (OS_STK *)ptos+HeapSize+2;
*--stk = (INT16U) (ptos+HeapSize-1) >> 8;
*--stk = (INT16U) (ptos+HeapSize-1) & 0xFF;
return ((void *)stk);
}
3 可重入函數
因為51系列堆?？臻g的限制, KEIL編譯器沒有像大系統那樣使用調用堆棧。一般C語言調用過程中，會把過程的參數和使用的局部變量入棧。為了提高效率，編譯器沒有提供這種堆棧，而是提供一種壓縮棧，每個過程被給定一個空間用于存放局部變量。過程中的每個變量都放在這個空間的固定位置，當遞歸調用這個過程時，會導致變量被覆蓋。編譯器允許將函數定義成可重入函數，由reentrant關鍵字指定，可重入函數可被單獨保存。因為這些堆棧是模擬的，可重入函數一般都比較大，運行起來也比較慢。模擬棧不允許傳遞bit類型的變量，也不能定義局部位標量。移植中最好是將可能被多個任務使用的函數定義成可重入函數。
參考文獻
1 Labrosse Jean J. μC/OS-II源碼公開的實時嵌入式操作系統. 邵貝貝譯. 北京：中國電力出版社, 2001
IRP REG,
PUSH REG
ENDM
POPALL MACRO
IRP REG, <7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, DPH, DPL, B, ACC, PSW>
POP REG
ENDM
2.3 OS_CPU_C.C文件
移植μC/OS-II 需要在OS_CPU_C.C中定義六個函數,而實際上需要定義的只有OSTaskStkInit()一個函數。該函數用來初始化任務的堆棧。初始狀態的堆棧只須初始化?C_XBP (仿真堆棧指針)、任務地址及堆棧的長度。由于只有INC DPTR指令，故返回棧的最低地址，且最低地址處存放棧的長度，方便用匯編語言實現任務的切換。堆的大小可根據任務的實際情況自行確定，由參數ppdata所指的值確定。
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *ppdata,
void *ptos, INT16U opt) reentrant
{
OS_STK *stk;
INT8U HeapSize;
HeapSize=*(INT8U *)ppdata;
opt = opt;
stk = (OS_STK *)ptos+HeapSize+2;
*stk++ = 15;
*stk++ = (INT16U)task & 0xFF;
*stk++ = (INT16U)task >> 8;
stk = (OS_STK *)ptos+HeapSize+2;
*--stk = (INT16U) (ptos+HeapSize-1) >> 8;
*--stk = (INT16U) (ptos+HeapSize-1) & 0xFF;
return ((void *)stk);
}
3 可重入函數
因為51系列堆?？臻g的限制, KEIL編譯器沒有像大系統那樣使用調用堆棧。一般C語言調用過程中，會把過程的參數和使用的局部變量入棧。為了提高效率，編譯器沒有提供這種堆棧，而是提供一種壓縮棧，每個過程被給定一個空間用于存放局部變量。過程中的每個變量都放在這個空間的固定位置，當遞歸調用這個過程時，會導致變量被覆蓋。編譯器允許將函數定義成可重入函數，由reentrant關鍵字指定，可重入函數可被單獨保存。因為這些堆棧是模擬的，可重入函數一般都比較大，運行起來也比較慢。模擬棧不允許傳遞bit類型的變量，也不能定義局部位標量。移植中最好是將可能被多個任務使用的函數定義成可重入函數。
參考文獻
1 Labrosse Jean J. μC/OS-II源碼公開的實時嵌入式操作系統. 邵貝貝譯. 北京：中國電力出版社, 2001
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