1 rtos的基本概念

實時多任務操作系統(tǒng)（rtos-real time operating system）是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的。實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統(tǒng)是指具有實時性，能支持實時控制系 統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。首要任務是調度一切可利用的資源完成實時控制任務，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。

實時操作系統(tǒng)中的任務(task)有四種狀態(tài)：運行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)，休眠(dormant)。

運行：獲得cpu控制權。

就緒：進入任務等待隊列。通過調度轉為運行狀態(tài)。

掛起：任務發(fā)生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生而喚醒。從而轉為就 緒或運行。

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

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

rtos內核按照任務的調度機制可以分為兩種：一種是占先式內核，一種是非占先式內核。

占先式內核：當一個低優(yōu)先級的任務正在運行時，一個高優(yōu)先級的任務就緒，那么rtos就會把低優(yōu)先級的任務掛起，來運行高優(yōu)先級的任務。等高優(yōu)先級的任務執(zhí)行了一個循環(huán)掛起之后，再回到低優(yōu)先級任務的斷點繼續(xù)運行。也就是說，任務的優(yōu)先級越高，響應起來越及時。

非占先式內核：當一個低優(yōu)先級的任務在運行時，一個高優(yōu)先級的任務就緒，rtos不會把cpu切換給高優(yōu)先級的任務，必須等低優(yōu)先級的任務執(zhí)行了一個循環(huán)掛起之后，再由rtos根據(jù)所有就緒任務的優(yōu)先級判斷將cpu切到哪個任務。

絕大多數(shù)商業(yè)rtos, 以及著名的開放源碼的uc/os-ii操作系統(tǒng)，都采用的是占先式內核，它的優(yōu)點是實時性要比非占先式內核高。

在rtos中，一般情況下，每個任務都一無限循環(huán)，每循環(huán)一次，任務掛起一段時間，以供調度程序把這段時間交給優(yōu)先級更高的其它就緒任務，讓其它任務運行(如圖1)。當所有任務都掛起時，rtos把任務切到空閑任務來執(zhí)行。

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

2 在msp430上使用rtos的意義

一般的觀點認為，msp430上使用rtos是沒有意義的。這是可以理解的，因為msp430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，這嚴重限制了其在msp430上的使用。

正是基于以上情況，筆者在應用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。

在msp430單片機系統(tǒng)上使用m430/os，對系統(tǒng)有以下意義：

1） 實現(xiàn)軟件設計的模塊化?？蓪⒉煌墓δ苣K編制成相應的任務，由操作系統(tǒng)按級別調用，不必為先執(zhí)行哪個功能、后執(zhí)行哪個功能而費神。

2） 更能合理、有效地利用cpu有限的資源。按任務的重要程度安排任務的級別，能夠保證最重要的任務執(zhí)行得最及時。

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

3 m430/os在msp430f149上的實現(xiàn)

3.1 功能特點
　　
m430/os有以下特點：

1） 采用占先式內核，即高優(yōu)先級的任務可以從低優(yōu)先級任務"搶"回cpu控制權；

2） 每個任務都單獨開辟一個任務棧；

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

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

5） 不支持信號量、郵箱功能；

6） 任務狀態(tài)只有三種：運行(executing)，就緒(ready)，掛起(suspended)；

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

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

9） 理論最多支持126個任務；

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

11）任務喚醒功能：在一個任務中產生一個的事件來觸發(fā)其它任務運行（如果被觸發(fā)的任務優(yōu)先級高的話，就會馬上運行）。

3.2 系統(tǒng)函數(shù)介紹

1） os_init：多任務初始化，進行任務棧（任務棧的結構見圖3）、任務延時計數(shù)、任務狀態(tài)的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)直接切換到最高優(yōu)先級的任務，多任務系統(tǒng)啟動。

2） os_time_dly：把當前任務掛起一段指定時間讓其它任務運行。

3） os_sched：任務調度，它先把每個任務的延時數(shù)減1，然后再找出最高優(yōu)先級的就緒任務，并切換到這個就緒任務。如果無就緒任務，就切換到空閑任務。

4） os_free_task：空閑任務，是一個很重要的系統(tǒng)任務，當所有任務都掛起時，來運行此任務。它主要是對一個計數(shù)器free_count一直進行累加，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：鎖定任務調度，禁止任務調度。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：解鎖任務調度，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，并產生一次任務調度，如果被喚醒任務的優(yōu)先級比當前運行的任務的優(yōu)先級高，就會任務切換到被喚醒的任務中，否則等待下一個調度時機。

3.3 主要功能的實現(xiàn)

a) 任務初始化

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

任務棧的初始化如下程序（r11是用來初始任務堆棧的一個指針，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　　　　 #任務首地址 , 0(r11) 　;把任務地址壓入堆棧

mov.w　　　　 sr , -2(r11)　　　　 　;把標志寄存器放入任務棧

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

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

mov.w　　　　 #09feh , sp　　　　　　;最高優(yōu)先級的任務棧任務首地址位置

ret　　　　　　　　　　　　　　 　　　;返回到最高優(yōu)先級的任務

任務初始化的流程見圖3。

b) 時鐘節(jié)拍

時鐘節(jié)拍由msp430f149的timera產生，timera工作于上升模式，ccr0中是timera計數(shù)最大值。timera初始化代碼如下：

bis.w　　　　 #(tassel1+taclr+mc_1),&tactl

mov.w　　　　 2(sp),&ccr0　　 ;計數(shù)最大值，此值決定時鐘節(jié)拍

bis.w　　　　 #ccie,&cctl0

c) 任務調度

應用程序調用os_init進行初始化后，直接切換到最高優(yōu)先級的任務。

每個任務在運行一個循環(huán)后執(zhí)行os_time_dly掛起。這是通過把該任務的延時數(shù)填到該任務的task_tick中，然后再執(zhí)行任務調度程序實現(xiàn)的。

任務調度就是在定時中斷時對所有任務的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，并直接跳到任務切換程序。

下面的一段是任務切換程序（r10的內容是就緒任務的標志，由調度程序找出）：

pushall　　　　　　　　　　　　 　;把當前任務現(xiàn)場入棧

mov.b　　　　 now_task,r11　　　 ;當前任務標志放r11

mov.w　　　　 sp,task_sp(r11)　　;保存當前任務堆棧指針

mov.b　　　　 r10,now_task　　 　;就緒任務標志變?yōu)楫斍叭蝿諛酥?br>
mov.w　　　　 task_sp(r10),sp　　;就緒任務的任務棧指針放入sp

;此時再進行堆棧操作就是對就緒任務的任務棧操作了。

popall　　　　　　　　　　　　 　　;把就緒任務的現(xiàn)場出棧

reti　　　　　　　　　　　　　　 　;模擬中斷返回，返回到就緒任務

任務調度的調度時機有兩種：一種是在任務掛起時，一種是定時中斷。任務掛起時的任務調度一定會引起任務切換，定時中斷就不一定引起任務切換了。因為如果就緒任務是當前正在運行的任務時不會引起切換。正是如此，任務調度是rtos中執(zhí)行得最頻繁的一個功能，也是最重要的一個功能，所以必須盡量縮減其代碼量，盡量用可靠的調度算法來減少任務調度所占的時間。這個子程序的流程見圖4。

d) 任務鎖和其它功能的實現(xiàn)

任務的加鎖與解鎖是為了使一些在低優(yōu)先級任務的不可重入代碼或對實時性要求較高的i/o操作在執(zhí)行中不產生任務切換，這項功能是通過設置一個標志位實現(xiàn)的，當調度程序檢查到任務被鎖定時，就算有就緒任務也必須等開鎖之后才能切換。

如果系統(tǒng)突然產生一個事件要某個掛起的任務來處理，可以在事件產生的程序中調用任務喚醒。它的原理是把task_tick清0，然后執(zhí)行一次任務調度，如果這個任務優(yōu)先級較高，就直接切換到這個任務里執(zhí)行了。

總結

m430/os已在筆者開發(fā)的基于msp430f149的系統(tǒng)上得到應用，運行穩(wěn)定可靠。該操作系統(tǒng)稍加改動，就可應用于其它msp430單片機。當然，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單片機系統(tǒng)中使用rtos是完全可能的。