基于μCOS-II *** 作系统实现在P89V51RD2微控制器上运行

自嵌入式系统开发以来，很长时间都采用前后台系统软件设计模式：主程序为一个无限循环，单任务顺序执行。通过设置一个或多个中断来处理异步事件。

这种系统对于简单的应用是可以的，但对于实时性要求比较高的、处理任务较多的应用，就会暴露出实时性差、系统可靠性低、稳定性差等缺点。

μC/OS-II 是一种基于优先级的抢占式多任务实时 *** 作系统， 包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息 队列）和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。而且它内核源代码公开，可移植性强，为编程人员提供了很好的一个软件平台。通过μC/OS-II在P89V51RD2 上的移植，可以掌握移植和测试μC/OS-II 的实质内容，很容易将其移植到其它的CPU平台上。

μC/OS-II 介绍

μC /OS-II是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。μC/OS-II绝大部分的代码是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编代码，使之可供不同架构的微处理器使用。至今，从8位到6 4位，μC/OS-II已在超过40种不同架构上的微处理器上运行。μC/OS-II已经在世界范围内得到广泛应用，包括很多领域， 如 手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制上。实际上，μC/OS-II已经通过了非常严格的 测试，并且得到了美国航空管理局（Federal AviaTIon AdministraTIon）的认证，可以用在飞行器上。这说明μC/OS-II是稳定可靠的，可用于与人性命攸关的安全紧要（safety criTIcal）系统。除此以外，μC/OS-II 的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。

μC/OS-II 内核结构

多任务系统中，内核负责管理各个任务 ，或者说为每个任务分配CPU 时间 ，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。 μC/OS-II可以管理多达64个任务。由于它的作者占用和保留了8个任务，所以留给用户应用程序最多可有56个任务。赋予各个任务的优先级必须是不相同的。这意味着μC/OS-II不支持时间片轮转调度法（round-robin scheduli ng）。μC/OS-II为每个任务设置独立的堆栈空间，可以快速实现任务切换 。μC/OS-II近似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态，为了保证这一点，它在调用系统API 函数、中断结束、定时中断结束时总是执行调度算法，μC/OS-II通过事先计算好数据简化了运算量，通过精心设计就绪表结构使得延时可预知。

P89V51RD2微处理器介绍

P89V51RD2是Philips公司生产的一款80C51微控制器，包含64KB Flash和1024字节的数据RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2 方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这 样可以极大地降低EMI。FLASH程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP），ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的 产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。 5V的工作电压， *** 作频率为0～40MHz。P89V51RD2的资源和ISP的功能使得它很适合用来做μC/OS-II的移植调试。并不需要购买仿真器和编程器等额外投资。

μC/OS-II 的移植

移植就是使μC/OS-II能在P89V51RD2上运行。为了方便移植，大部分的μC/OS-II的代码是用C语言编写的；但是仍需要用C语言和汇编语言编写一些处理器硬件相关的代码，这是因为μC/OS-II在读/写处理器寄存器时，只能通过汇编语言来实现。由于μC/OS-II在设计时就已经充分考虑了可移植性，所以μC/OS-II的移植相对来说是比较容易的。

硬件平台构成

由于P89V51RD2是一款80C51微控制器，片内包含了64KB的FLASH程序存储器，并且支持串行在线编程（ISP）。使它在ROM空间上很适合做μC/OS-II的移植。但是它片内RAM空间很有限，只有1KB，不能满足μC/OS-II对RAM的要求。但是由于P89V51RD2可以扩展RAM空间，使这一问题得以解决。我们为它扩展了一片32KB的RAM来构成移植μC/OS-II的硬件平台。这样P89V51RD2就满足了移植μC/OS-II的所有要求。

编译器的选择

由于μC/OS-II绝大部分代码是用标准的C语言编写的，所以C语言开发工具对于μC/OS-II是必不可少的。由于μC/OS-II是一个可剥夺行的占先式内核，所以要求C编译器可以产生可重入型代码。笔者选择Keil C51集成开发环境作为开发工具。该开发工具有C编译器，汇编器和链接定位器等工具构成。链接器用来将不同模块（编译过或汇编过的文件）链接成目标文件，定位器则允许将代码和数据放置在目标处理器的指定内存中。Keil C51 还可以生成HEX格式的编程文件用于编程EPROM或是FLASH，同时可以实现完整软件仿真支持。Keil C51支持所有8051变种的微控制器。通过设置编译控制选项，它完全可以满足编译μC/OS-II源代码的要求。

可重入函数问题

可重入函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据被破坏。可重入函数任何时候都可以被中断，一段时间后又可以继续运行，而相应的数据不会丢失。由于μC/OS-II是抢占式的实时多任务内核，同一个函数可能会被不同的任务调用，也可能会被中断，因此，移植μC/OS-II要求C语言编译器可以产生可重入函数。但是正常情况下Keil C51编译器中的函数不能重入。原因是由于8051系列微控制 器的硬件堆栈很小，硬件堆栈指针SP最多只能在内部256字节的RAM内移动，不能够指向64K的外部RA M空间。所以编译器使用固定的RAM地址来存储函数的参数和局部变量，而不是使用堆栈来存储。为了在Keil C51中实现可重入函数，可以使用“reentrant”关键字声明该函数是可重入的。编译器可根据编译模式为可重入函数在内部RAM或外部RAM空间开辟一个模拟堆栈来存储可重入函数的参数和局部变量。可重入函数的返回地址仍然保存在硬件堆栈中。Cx51编译手册不推荐使用模拟堆栈，原因是受8051寻址方式的限制，模拟堆栈访问的效率很低。但是这是在Keil C51中实现可重入函数的唯一方法。可重入函数模拟堆栈拥有独立于硬件堆栈指针的模拟堆栈指针。模拟堆栈及其指针在启动代码文件“STARTUP.A51”中定义和初始化。

μC/OS-II源文件移植

在了解了P89V51RD2微处理器和Keil C51 编译器的技术细节的基础上，就可以开始μC/OS-II源文件移植的工作了。真正编写移植代码的工作就相对比较简单了。图1表示了基于μC/OS-II的应用的系统结构结构。由图1可以看出由于μC/OS-II自生的绝大部分代码是使用ANSI C编写的，而且代码的层次结构十分干净，与平台相关的移植代码仅仅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H这三个文件当中。下面分别解释各个文件在P89V51RD2上的移植。

μC/OS-II中与处理器CPU 类型无关的代码：uCOS_II.H和uCOS_II.C，其中uCOS_II.C 文件包含以下文件：OS_CORE.C OS_TASK.C OS_TIME.C OS_SEM.C OS_MBOX.C OS_MUTEX.C 和OS_FLAG.C 也就是说原则上这些文件可以直接添加不用修改。但是由于Keil C51编译器的特殊性，这些代码仍要多处改动，因为Keil C51缺省情况下编译的代码不可重入而多任务系统要求并发 *** 作导致重入，所以要在每个C 函数及其声明后标注reentrant 关键字，另外“pdata” 和“data” 在uCOS中用做一些函数的形参，但它同时又是Keil C51 的关键字，会导致编译错误。我通过把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解决了此问题。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy 这几个变量在汇编程序中用到了，为了使用寄存器R0或R1访问而不用DPTR，应该用Keil C51扩展关键字IDATA将它们定义在内部RAM中。

OS_CPU.H的移植

OS_CPU.H包括了用#define语句定义的、与处理器相关的常数、宏及类型。因为不同的处理器有不同的字长，所以μC/OS-II的移植包括的一系列数据类型定义，以确保其可移植性。μC/OS-II代码不使用语言中的short，int，及long等数据类型，因为它们是与编译器相关的，是不可移植的。采用定义的整形数据结构等既是可移植的，又很直观。参考Cx51编译手册，可以完成OS_CPU.H里所有数据类型的定义。

与所有的实时内核一样，μC/OS-II需要先关中断，再处置临界段代码，并且在处置完毕后重新开中断。这样可以保护临界段代码免受多任务或中断服务子程序的破坏。为了隐藏不同编译器提供的不同的关中断和开中断的实现方法，增强可移植性，μC/OS-II在OS_CPU.H中定义了2个宏，来开中断和关中断：OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）。根据P89V51RD2的结构和Keil C51提供的方法，我们通过置位或清零中断允许位来实现。

代码如下：

OS_ENTER_CRITICAL（） EA=“0”

OS_EXIT_CRITICAL（） EA=“1”

MCS-51 堆栈从下往上增长（1=向下0=向上） ，OS_STK_GROWTH 定义为0。

OS_TASK_SW（） OSCtxSw（） ，因为P89V51RD2没有软中断指令所以用程序调用代替。在用汇编语言编写的OSCtxSw（）中，模拟系统产生中断时的堆栈 *** 作。以保证系统任务的正确切换。

OS_CPU_C.C的移植

μC/OS-II的移植要求用户在OS_CPU_C.C中编写10个简单的C函数。但唯一必要的μC/OS-II的移植要求用户在OS_CPU_C.C中编写10个简单的C函数。但唯一 必要的是OSTaskStkInit（），其他九个必须声明，但不一定要任何程序代码。

OSTaskStkInit（）是在系统创建任务时用来初始化任务堆栈的，使堆栈看起来就象中断刚发生一样，所有寄存器都保存在堆栈中。由于P89V51RD2硬件堆栈很小，最多只能有在内部RAM空间的256字节。因此很难将所有任务的堆栈都用硬件堆栈来实现。为了解决这个问题，我们为每个任务在外部RAM空间都分配一段连续的存储区，用来模拟每个任务的堆栈。

在μC/OS-II进行任务切换时，首先将P89V51RD2硬件堆栈中的内容复制到要失去CPU拥有权的任务的外部模拟堆栈区，然后将要得到CPU拥有权的任务的外部模拟堆栈中的有效数据复制到P89V51RD2的硬件堆栈中。这样就实现了任务保护和切换。任务模拟堆栈和硬件的堆栈结构如图2所示。TCB 结构体中OSTCBStkPtr 总是指向用户堆栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆栈映像，即：任务模拟堆栈空间大小=系统硬件堆栈空间大小+1。SP 总是先加1再存数据，因此SP初始时指向系统堆栈起始地址（OSStack）减1 处（OSStkStart）。很明显系统硬件堆栈存储空间大小=SP-OSStkStart。编写OSTaskStkInit（）主要完成用户堆栈初始化，从下向上依次保存用户堆栈长度（5），PCL， PCH，PSW， AC C，B， DPL， DPH，R0，R1， R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出。紧接着的两字节保存可重入函数仿真堆栈的指针X_CP的高8位和低8位，初始化为任务模拟栈的最高地址的高8位和低8位。OSTaskStkInit（）总是返回任务模拟栈的最低地址。

OS_CPU_A.ASM的移植

OS_CPU_A.ASM的移植要求用户编写4个简单的汇编语言函数：

OSStartHighRdy（）

OSCtxSw（）

OSIntCtxSw（）

OSTickISR（）

μ C/OS-II的启动函数OSStart（）调用OSStartHighRdy（）来使就绪态任务中优先级最高的任务开始运行，我们通过将任务模拟栈的有效长度内的数据复制到系统硬件堆栈，然后使用紧接着的两字节来改写X_CP的值。使可重入函数仿真堆栈指针指向该任务模拟栈的最高地址，这样做是因为Keil C51使用的可重入函数仿真堆栈的增长方向是向下的，和系统硬件堆栈的增长方向相反。这样就完成了OSStartHighRdy（）的移植。

OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）两个汇编函数的功能主要完成任务的切换。不同的是OSCtxSw（）在任务级调用，而OSIntCtxSw（）是在中断推出时调用。

对于在P89V51RD2上的移植而言，这两个函数的实现基本相同。只是OSIntCtxSw（）在中断调用中 由于OSIntExit（）和自身对硬件堆栈的影响，需要将要保存的SP指针向下调整4个字节，以消除影响。μC/OS-II在需要任务切换时，根据CPU是否处在中断状态选择调用其中一个函数。如图2堆栈结构 所示，任务切换时先保存当前任务堆栈内容，方法是：用SP-OSStkStart 得出保存字节数。

将其写入任务模拟堆栈最低地址内。以任务模拟堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统硬件堆栈起址，由系统堆栈向用户堆栈拷贝数据。循环SP-OSStkStart次，每次拷贝前先将各自栈指针增1。其次恢复最高优先级任务系统堆栈方法是：获得最高优先级任务用户堆栈最低地址，从中取出长度。以最高优先级任务用户模拟堆栈最低地址为起址，以OSStkStart 为系统堆栈起址，由任务模拟堆栈向系统堆栈拷贝数据。循环“有效长度”数值指示的次数。每次拷贝前先将各自栈指针增1。

μC/OS-II要求用户提供一个周期性的时钟源，来实现时间的延迟和超时功能。在P89V51RD2中我们通过定时器T0来提供时钟源。频率设为50Hz。T0的初始化函数在OS_CPU_C.C实现。时钟节拍中断服务子程序的编写也很简单，示意性代码如下：

void OSTickISR（void）

{

保存处理器寄存器；

调用OSIntEnter（）;

定时器计数器重装；

调用OSTimeTick（）;

调用OSIntExit（）;

恢复处理器寄存器；

执行中断返回指令；

}

μC/OS-II 移植代码的测试

完成μC/OS-II移植后，就要对移植的代码进行测试。测试移植的μC/OS-II是否能够完成任务调度、时间管理、任务管理与同步等功能，是否能够启动多 任务环境。在P89V51RD2的移植中，编写简单的测试程序进行多任务的测试。测试程序创建了4任务，任务AA，BB，CC和LEDFlash优先级分别为2，3，4，5。任务AA延时一秒通过串口输出一次，任务BB延时3秒通过串口输出一次，任务CC延时6秒通过串口输出一次。

LedFlash等待信号量有效时，对P1.1口进行一次取反 *** 作。P1.1连接LED惊醒观察。定时器中断服务子程序定时发出信号量。这样任务LedFlash实现LED的闪烁功能。

μC/OS-II测试程序的文件结构，硬件测试结果和Keil C51的软件仿真结果如图3所示。结果表明μC/OS-II在P89V51RD2上的移植是成功的。

结语

通过μC/OS-II在P89V51RD2上的移植，掌握了μC/OS-II内核的工作原理和移植方法，测试程序表明移植代码可以稳定可靠的运行，实现了多任务的管理和调度。μC/OS-II实时 *** 作系统的移入，不但可以提高系统的实时性、可靠性和稳定性，还提高了应用软件的可移植性，降低了开发人员的工作

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