基于MSP430F149單片機(jī)的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)

1 RTOS的基本概念

實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS-Real Time Operating System）是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的。實(shí)時是指物理進(jìn)程的真實(shí)時間。實(shí)時操作系統(tǒng)是指具有實(shí)時性，能支持實(shí)時控制系 統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時控制任務(wù)，重要特點(diǎn)是要滿足對時間的限制和要求。

實(shí)時操作系統(tǒng)中的任務(wù)(Task)有四種狀態(tài)：運(yùn)行(Executing)，就緒(Ready)，掛起(Suspended)，休眠(Dormant)。

運(yùn)行：獲得CPU控制權(quán)。

就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊列。通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊列，等待系統(tǒng)實(shí)時事件的發(fā)生而喚醒。從而轉(zhuǎn)為就 緒或運(yùn)行。

休眠：任務(wù)完成或錯誤等原因被清除的任務(wù)。也可以認(rèn)為是系統(tǒng)中不存在了的任務(wù)。

某一時刻，系統(tǒng)中只能有一個任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)。各任務(wù)按級別通過時間片分別獲得對CPU的訪問權(quán)。

RTOS內(nèi)核按照任務(wù)的調(diào)度機(jī)制可以分為兩種：一種是占先式內(nèi)核，一種是非占先式內(nèi)核。

占先式內(nèi)核：當(dāng)一個低優(yōu)先級的任務(wù)正在運(yùn)行時，一個高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，那么RTOS就會把低優(yōu)先級的任務(wù)掛起，來運(yùn)行高優(yōu)先級的任務(wù)。等高優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行了一個循環(huán)掛起之后，再回到低優(yōu)先級任務(wù)的斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。也就是說，任務(wù)的優(yōu)先級越高，響應(yīng)起來越及時。

非占先式內(nèi)核：當(dāng)一個低優(yōu)先級的任務(wù)在運(yùn)行時，一個高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，RTOS不會把CPU切換給高優(yōu)先級的任務(wù)，必須等低優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行了一個循環(huán)掛起之后，再由RTOS根據(jù)所有就緒任務(wù)的優(yōu)先級判斷將CPU切到哪個任務(wù)。

絕大多數(shù)商業(yè)RTOS, 以及的開放源碼的uC/OS-II操作系統(tǒng)，都采用的是占先式內(nèi)核，它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時性要比非占先式內(nèi)核高。

在RTOS中，一般情況下，每個任務(wù)都一無限循環(huán)，每循環(huán)，任務(wù)掛起一段時間，以供調(diào)度程序把這段時間交給優(yōu)先級更高的其它就緒任務(wù)，讓其它任務(wù)運(yùn)行(如圖1)。當(dāng)所有任務(wù)都掛起時，RTOS把任務(wù)切到空閑任務(wù)來執(zhí)行。

空閑任務(wù)是一個系統(tǒng)任務(wù)，它一般是一個空的循環(huán)，優(yōu)先級，也從來不會掛起。

2 在MSP430上使用RTOS的意義

一般的觀點(diǎn)認(rèn)為，MSP430上使用RTOS是沒有意義的。這是可以理解的，因?yàn)镸SP430的硬件資源有限(以MSP430F149為例，只有2KRAM),任何商業(yè)操作系統(tǒng)都不可能移植到MSP430上。目前在MSP430上得到應(yīng)用的RTOS，只有 uC/OS-II，但使用uC/OS-II 必須有昂貴的C編譯器，這嚴(yán)重限制了其在MSP430上的使用。

正是基于以上情況，筆者在應(yīng)用MSP430過程中，編寫了一個基于MSP430F149的RTOS，暫定名為M430/OS。它占用RAM量少、代碼短小，稍加改動就可適用于大多數(shù)其它MSP430單片機(jī)。

在MSP430單片機(jī)系統(tǒng)上使用M430/OS，對系統(tǒng)有以下意義：

1） 實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計的模塊化?？蓪⒉煌墓δ苣K編制成相應(yīng)的任務(wù)，由操作系統(tǒng)按級別調(diào)用，不必為先執(zhí)行哪個功能、后執(zhí)行哪個功能而費(fèi)神。

2） 更能合理、有效地利用CPU有限的資源。按任務(wù)的重要程度安排任務(wù)的級別，能夠保證重要的任務(wù)執(zhí)行得及時。

3） 大大降低系統(tǒng)故障率。低優(yōu)先級的任務(wù)發(fā)生阻塞時，高優(yōu)先級的的任務(wù)的執(zhí)行不受影響。

3 M430/OS在MSP430F149上的實(shí)現(xiàn)

3.1 功能特點(diǎn)
　　
M430/OS有以下特點(diǎn)：

1） 采用占先式內(nèi)核，即高優(yōu)先級的任務(wù)可以從低優(yōu)先級任務(wù)"搶"回CPU控制權(quán)；

2） 每個任務(wù)都單獨(dú)開辟一個任務(wù)棧；

3） 每個任務(wù)占十幾到幾百個字節(jié)的任務(wù)堆棧，任務(wù)棧的大小可以根據(jù)任務(wù)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)、局部變量和嵌套調(diào)用的情況估算；

4） 每個任務(wù)各占一個優(yōu)先級,不支持兩個任務(wù)有相同的優(yōu)先級；

5） 不支持信號量、郵箱功能；

6） 任務(wù)狀態(tài)只有三種：運(yùn)行(Executing)，就緒(Ready)，掛起(Suspended)；

7） 系統(tǒng)占用RAM量=（（任務(wù)個數(shù)+1）×4）+6個字節(jié)，不包括任務(wù)堆棧；

8） 代碼量少，目前版本的代碼共有87行匯編代碼，256字節(jié)目標(biāo)代碼；

9） 理論多支持126個任務(wù)；

10）任務(wù)鎖定功能：在一段低優(yōu)先級的代碼中，不想讓操作系統(tǒng)把CPU權(quán)切換到別的任務(wù)，這時可以把這代碼鎖定，在運(yùn)行這段碼時，就不會引起任務(wù)切換；

11）任務(wù)喚醒功能：在一個任務(wù)中產(chǎn)生一個的事件來觸發(fā)其它任務(wù)運(yùn)行（如果被觸發(fā)的任務(wù)優(yōu)先級高的話，就會馬上運(yùn)行）。

3.2 系統(tǒng)函數(shù)介紹

1） OS_Init：多任務(wù)初始化，進(jìn)行任務(wù)棧（任務(wù)棧的結(jié)構(gòu)見圖3）、任務(wù)延時計數(shù)、任務(wù)狀態(tài)的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)直接切換到優(yōu)先級的任務(wù)，多任務(wù)系統(tǒng)啟動。

2） OS_Time_Dly：把當(dāng)前任務(wù)掛起一段指定時間讓其它任務(wù)運(yùn)行。

3） OS_Sched：任務(wù)調(diào)度，它先把每個任務(wù)的延時數(shù)減1，然后再找出優(yōu)先級的就緒任務(wù)，并切換到這個就緒任務(wù)。如果無就緒任務(wù)，就切換到空閑任務(wù)。

4） OS_Free_Task：空閑任務(wù)，是一個很重要的系統(tǒng)任務(wù)，當(dāng)所有任務(wù)都掛起時，來運(yùn)行此任務(wù)。它主要是對一個計數(shù)器Free_Count一直進(jìn)行累加，用戶可以根據(jù)這個計數(shù)器來計算出CPU的利用率來。

5） OS_Task_Lock：鎖定任務(wù)調(diào)度，禁止任務(wù)調(diào)度。主要用來鎖定在低優(yōu)先級中的一些為可重入的代碼或一些重要代碼。

6） OS_Task_Unlock：解鎖任務(wù)調(diào)度，和上面的子程序功能相反。

7） OS_Task_Wakeup：喚醒指定優(yōu)先級的任務(wù)，并產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度，如果被喚醒任務(wù)的優(yōu)先級比當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級高，就會任務(wù)切換到被喚醒的任務(wù)中，否則等待下一個調(diào)度時機(jī)。

3.3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

a) 任務(wù)初始化

系統(tǒng)加電運(yùn)行后，首先對硬件資源進(jìn)行初始化，接著就要對多任務(wù)進(jìn)行初始化了。主要是初始化每個任務(wù)的任務(wù)棧、每個任務(wù)的時鐘滴數(shù)和堆棧指針位置。我們把每個任務(wù)棧都初始化成圖2形式：

任務(wù)棧的初始化如下程序（r11是用來初始任務(wù)堆棧的一個指針，r10是一個循環(huán)計數(shù)器）：

mov.w　　　　 #(棧底 + 2) , r11

clr.w　　　　 Task_Tick(r10)　　　　 ;清0時鐘滴嗒數(shù)

mov.w　　　　 #任務(wù)首地址 , 0(r11) 　;把任務(wù)地址壓入堆棧

mov.w　　　　 SR , -2(r11)　　　　 　;把標(biāo)志寄存器放入任務(wù)棧

mov.w　　　　 r11 , Task_SP(r10)

sub.w　　　　 #現(xiàn)場所占的字節(jié)數(shù) , Task_SP(r10) ;SP位置放入堆棧

初始化完任務(wù)棧之后，就把堆棧指針指向任務(wù)先級任務(wù)棧的任務(wù)首地址處，再執(zhí)行ret返回，這樣，多任務(wù)就啟動開了。如下程序：

mov.w　　　　 #09feh , sp　　　　　　;優(yōu)先級的任務(wù)棧任務(wù)首地址位置

ret　　　　　　　　　　　　　　 　　　;返回到優(yōu)先級的任務(wù)

任務(wù)初始化的流程見圖3。

b) 時鐘節(jié)拍

時鐘節(jié)拍由MSP430F149的TimerA產(chǎn)生，TimerA工作于上升模式，CCR0中是TimerA計數(shù)值。TimerA初始化代碼如下：

bis.w　　　　 #(TASSEL1+TACLR+MC_1),&TACTL

mov.w　　　　 2(sp),&CCR0　　 ;計數(shù)值，此值決定時鐘節(jié)拍

bis.w　　　　 #CCIE,&CCTL0

c) 任務(wù)調(diào)度

應(yīng)用程序調(diào)用OS_init進(jìn)行初始化后，直接切換到優(yōu)先級的任務(wù)。

每個任務(wù)在運(yùn)行一個循環(huán)后執(zhí)行OS_Time_Dly掛起。這是通過把該任務(wù)的延時數(shù)填到該任務(wù)的Task_Tick中，然后再執(zhí)行任務(wù)調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)的。

任務(wù)調(diào)度就是在定時中斷時對所有任務(wù)的Task_Tick減1，然后再接優(yōu)先級高低的順序查找Task_Tick減到0的任務(wù)，并直接跳到任務(wù)切換程序。

下面的一段是任務(wù)切換程序（r10的內(nèi)容是就緒任務(wù)的標(biāo)志，由調(diào)度程序找出）：

pushALL　　　　　　　　　　　　 　;把當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場入棧

mov.b　　　　 Now_Task,r11　　　 ;當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志放r11

mov.w　　　　 sp,Task_SP(r11)　　;保存當(dāng)前任務(wù)堆棧指針

mov.b　　　　 r10,Now_Task　　 　;就緒任務(wù)標(biāo)志變?yōu)楫?dāng)前任務(wù)標(biāo)志

mov.w　　　　 Task_SP(r10),sp　　;就緒任務(wù)的任務(wù)棧指針放入SP

;此時再進(jìn)行堆棧操作就是對就緒任務(wù)的任務(wù)棧操作了。

popALL　　　　　　　　　　　　 　　;把就緒任務(wù)的現(xiàn)場出棧

reti　　　　　　　　　　　　　　 　;模擬中斷返回，返回到就緒任務(wù)

任務(wù)調(diào)度的調(diào)度時機(jī)有兩種：一種是在任務(wù)掛起時，一種是定時中斷。任務(wù)掛起時的任務(wù)調(diào)度一定會引起任務(wù)切換，定時中斷就不一定引起任務(wù)切換了。因?yàn)槿绻途w任務(wù)是當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)時不會引起切換。正是如此，任務(wù)調(diào)度是RTOS中執(zhí)行得頻繁的一個功能，也是重要的一個功能，所以必須盡量縮減其代碼量，盡量用可靠的調(diào)度算法來減少任務(wù)調(diào)度所占的時間。這個子程序的流程見圖4。

d) 任務(wù)鎖和其它功能的實(shí)現(xiàn)

任務(wù)的加鎖與解鎖是為了使一些在低優(yōu)先級任務(wù)的不可重入代碼或?qū)?shí)時性要求較高的I/O操作在執(zhí)行中不產(chǎn)生任務(wù)切換，這項(xiàng)功能是通過設(shè)置一個標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)調(diào)度程序檢查到任務(wù)被鎖定時，就算有就緒任務(wù)也必須等開鎖之后才能切換。

如果系統(tǒng)突然產(chǎn)生一個事件要某個掛起的任務(wù)來處理，可以在事件產(chǎn)生的程序中調(diào)用任務(wù)喚醒。它的原理是把Task_Tick清0，然后執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，如果這個任務(wù)優(yōu)先級較高，就直接切換到這個任務(wù)里執(zhí)行了。

總結(jié)

M430/OS已在筆者開發(fā)的基于MSP430F149的系統(tǒng)上得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該操作系統(tǒng)稍加改動，就可應(yīng)用于其它MSP430單片機(jī)。當(dāng)然，它的功能還是很有限的，也可能還存在一些尚未暴露的問題，但無論如何，它向我們證明，在MSP430單片機(jī)系統(tǒng)中使用RTOS是完全可能的。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. MSP430F149 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MSP430F149_874114.html.
[2]. MSP430 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MSP430_490166.html.
[3]. r10 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/r10_1193166.html.