浅述msp430单片机的实时多任务操作系统

浅述msp430单片机的实时多任务操作系统

郭海军

关键词：TROS任务调度MSP430

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

2.1M430/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（sus-pended）；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

①OS_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。②OS_Time_Dly:把当前任务挂起一段指定时间让其它任务运行。③OS_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。④OS_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。⑤OS_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一些可重入的代码或一些重要代码。⑥OS_Task_Unlock:解锁任务调度，和上面的子程序功能相反。⑦OS_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

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堆栈指针位置。任务栈的初始化如下程序（rll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），rllclr.wTask_Tick(r10)）；清0时钟滴签数mov.w#任务首地址，0（rll）；把任务地址压入堆栈mov.wSR，-2（rll）；把标志寄放器放入任务栈mov.wrll，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。

2.3.1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），&TACTLmov.w2(sp),&CCR0；计数最大值，此值决定时钟节拍bis.w#CCIE,&CCTL0

2.3.2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.bNow_Task,rll;当前任务标志放rllmov.wsp,Task_SP(rll);保存当前任务堆栈指针mov.br10,Now_Task;就绪任务标志变为当前任务标志mov.wTask_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。popALLreti;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高度所占的时间。

2.3.3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。