uC/OS-II在C8051F020单片机上的移植

          uC/OS-II在C8051F020单片机上的移植

1 uC/OS-II的版本和C8051F020单片机的集成开发环境
µC/OS-II内核使用了V2.52版本。虽然Silicon Lab公司免费提供C8051F系列单片机的集成开发环境，由于使用习惯，笔者还是选择了µVision2 V2.38A版本，C编译器版本是C51.exe V7.06，汇编器的版本是A51.exe V7.07。适配器使用Silicon Lab公司的EC2，需要说明的是，要在Keil uVision2 IDE中调试C8051F系列单片机，必须安装动态链接库。
2 uC/OS-II在C8051F020单片机上的移植
移植工作就是更改OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM这几个文件。在说明这几个文件之前，先说明两点注意事项。（1）可重入函数。单片机内部堆栈空间有限，C51提供一种压缩栈的方式，当递归调用这个函数时，会导致变量被覆盖，所以在实时应用中，要用关键字reentrant将函数声明成可重入函数，把每次函数调用时的局部变量单独保存起来。但函数中不可以使用BOOL变量，因为在LARGE编译模式下，KEIL默认将所有变量定位到外部RAM的最高处，而MCS-51系列的MCU中只有内部20H-2FH的地址可以位寻址。（2）C51的关键字和uC/OS-II定义变量的矛盾。“pdata”、“data”在uC/OS-II中用做一些函数的形参，但它同时又是C51的关键字，在编译时导致语法错误，通过把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解决了此问题。
2.1 OS_CPU.H文件
这个文件主要是与处理器相关的宏定义和数据类型声明。如前面提到的，不能使用bit型变量，把BOOLEAN型定义成unsigned char型。另外8位MCU数据宽度和堆栈宽度都是8位，分别将OS_STK和OS_CPU_SR定义成unsigned char型。uC/OS-II提供了3种处理临界代码的方法，这里使用第一种，即通过对寄存器EA开关中断。MCS-51系列MCU的堆栈是从下向上递增的，定义OS_STK_GROWTH = 0。
2.2 OS_CPU_C.C文件
这个文件主要是完成OSTaskStkInit（）。在uC/OS-II中，任务是一个无限循环，任务之间也不会互相调用，但是uC/OS-II总是执行优先级最高的任务，假定当前有一个更高优先级的任务进入就绪状态，为了保证原来低优先级任务的完整性，uC/OS-II为每个任务建立了任务堆栈，就相当于函数调用时保存返回地址和参数一样，用来保存当前任务的状态，保证任务切换能和函数调用一样正确。只不过函数调用时函数堆栈的操作过程是编译器自动完成的，而任务切换时需要模拟一个和编译器类似的任务堆栈的操作过程。实际上，uC/OS-II的移植工作主要就是解决这个问题，OSTaskStkInit（）完成任务栈初始化，后面介绍的OS_CPU_A.ASM文件完成3种不同条件下的任务切换操作。
图1列出了应用任务堆栈和MCS-51单片机的系统堆栈结构，左边是MCS-51单片机的系统堆栈，右边是应用任务的堆栈。MCS-51单片机系统堆栈是满递增栈，定义MCS51Sp为系统堆栈指针，定义MCS51SpTop为系统堆栈在内部RAM块的起始地址。初始化时把堆栈指针指向0x60H地址，即MCS51Sp = MCS51SpTop = 0x60H。需要保存的寄存器共有13个，应用任务入栈操作具体过程如下：（1）、把所有的寄存器压入系统堆栈；（2）、计算系统堆栈的深度（SP- MCS51SpTop），并且保存到任务堆栈的栈顶；（3）把系统堆栈所有的内容保存到任务堆栈，这里既包括在（1）中入栈的13个寄存器也包括程序运行时需要保存的参数（斜线填充部分）。应用任务出栈操作具体过程如下：（1）、从任务堆栈的栈顶得到要进行出栈的深度；把任务堆栈所有内容恢复到系统堆栈；（2）、把13个寄存器出栈（还剩下程序指针PC）；（3）、执行RETI命令，把系统堆栈中的地址恢复到程序指针PC。
错误！链接无效。           图1任务堆栈和系统堆栈
OSTaskStkInit（）的函数原型为 OS_STK *OSTaskStkInit（void （*task）（void *pd）,void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt）；其中task指向应用任务的起始地址，pdata是应用任务传递的参数指针，ptos是任务堆栈的栈顶指针，需要说明的是，MCS-51单片机的堆栈是递增的，所以这个指针应该指向任务堆栈的低地址，在OSTaskCreat（）中调用这个函数时opt没有意义，将opt设置为0。OSTaskStkInit（）中，主要保存新建任务栈的起始地址（2个字节），也就是在图1右半部分的虚线部分，由于任务还没有被调度，MCU的状态字并不具有实际意义。
2.3 OS_CPU_A.ASM文件
这个文件包括4个汇编语言函数。OSStartHighRdy（）；OSCtxSw（）；OSIntCtxSw（）；OSTickISR（）。Keil编译器不支持插入行汇编代码，需要写这4个汇编函数，如果编译器支持插入行汇编代码，就可以将所有与处理器相关的代码放到OS_CPU_C.C文件中（ARM和DSP的移植就是这样实现的）。
2.3.1 OSStartHighRdy（）
OSStart（）函数调用OSStartHighRdy（），使就绪态任务中优先级最高的任务开始执行，OSStartHighRdy（）移植代码如下：
  RSEG ?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A   ; RSEG 选择已经在SEGMENT定义的段          
OSStartHighRdy:                  
   USING    0                   ; 选择工作寄存器组
  LCALL _?OSTaskSwHook
   MOV R0, #LOW(OSRunning)  
   MOV @R0,#01                 ; OSRunning = TRUE
OSStartHighRdyRpt:      
MOV   R0,#LOW (OSTCBCur)         ; 取TCB指针OSTCBCur。在单片机C语言中，
INC   R0                   ; 指针占用3个字节，低字节是指针存储类
  MOV   DPH,@R0                 ; 型编码，第二、第三字节分别存放指针高    
  INC   R0                   ; 位、低位地址偏移量。  
  MOV   DPL,@R0
  INC   DPTR                   ; 装载OSTCBStkPtr地址到DPTR                        
  MOVX A, @DPTR            
  MOV   R1,A
  INC   DPTR
  MOVX A, @DPTR
  MOV   R0,A
  MOV   DPH, R1
  MOV   DPL, R0
  MOVX A, @DPTR                 ; 出栈第一个字节，即系统堆栈深度
  MOV   R4,A
  MOV R0,#OSStkStart
COPY_STK_TO_SYS:                 ; 把任务堆栈的数据恢复到系统堆栈
  INC   DPTR
  INC   R0
  MOVX A, @DPTR
  MOV   @R0, A
  DJNZ R4, COPY_STK_TO_SYS
  MOV   SP, R0                 ; 调整系统堆栈指针
  POPAll
RETI
2.3.2 OSCtxSw（）
这个函数完成任务切换。包括3个步骤：（1）把系统堆栈保存到当前任务堆栈；（2） 找出优先级最高的任务；（3）把高优先级任务的堆栈恢复到系统堆栈。在写这部分代码时，只需写前两部分，第3部分的内容和OSStartHighRdy（）几乎完全一样，跳转到OSStartHighRdyRpt开始的部分就可以了。
2.3.3 OSIntCtxSw（）
OSIntExit（）通过调用OSIntCtxSw（），在ISR中执行任务切换功能。因为OSIntCtxSw（）是在ISR中被调用的，这时处理器寄存器已经被保存到任务堆栈。所以只要一条LJMP   指令跳转到OSCtxSw（）函数的步骤（2）的入口地址就可以了。
2.3.4 OSTickISR（）
  时钟节拍中断服务子程序OSTickISR（）完成的操作和OSCtxSw（）类似，只不过OSTickISR（）是由硬件定时器溢出中断触发的，定时器使用了C8051F020单片机的T0，时钟节拍设置为每秒20次，外部的22.1184MHZ晶体经过2分频 作为T0基准，只要在退出这个函数之前加上如下2条指令即可。
  MOV   TH0, #0x2C
  MOV   TL0, #0x12
3 测试移植代码
创建的2个测试任务及源码如下：
OSTaskCreate(TestTransplantA, (void *)0, & TestTransplantAStk[0],2);
OSTaskCreate(TestTransplantB, (void *)0, & TestTransplantBStk[0],3);
void TestTransplantA(void *ddata) reentrant
{   ddata=ddata;
for(;;)
{   Uart0Send(0xAA);
    OSTimeDly(60*OS_TICKS_PER_SEC);  
  }
}
void TestTransplantB(void *ddata) reentrant
{   ddata=ddata;
for(;;)
{   Uart0Send(0xBB);
    OSTimeDly(30*OS_TICKS_PER_SEC);  
}
}
多任务调度开始后，通过超级终端接收的UART0的数据为：AA BB BB AA BB BB AA BB BB AA BB BB AA BB BB AA BB BB AA ……。
  高优先级的任务TestTransplantA（）能首先被调度运行，说明OSTaskStkInit（）和OSStartHighRdy（）函数是正确的。任务TestTransplantA（）和任务TestTransplantB（）由时钟节拍驱动而周期地被调度，说明OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）、OSTickISR（）也是正确的。通过以上两点可以认为移植结果是正确的。
4 结束语
在µC/OS-II平台下开发程序，首先要掌握内核。通过上述移植过程，能够对任务堆栈、任务调度有深刻理解。即使有已经移植成功的版本，还是建议自己动手移植，这样有助于更深刻的理解任务的调度过程，而且可以积累一些嵌入式软件调试的经验。