uC/OS-II在MSP430单片机芯片上实现RTOS的问题分析

文章摘要：MSP430F148中就没有软中断指令，所使用的IAR编译器在发生中断时也不保存所有的寄存器，而是只保存几个在中断中使用到的寄存器。所有这些都是不符合uC/OS-II的移植条件的。我们的解决方法是根据具体情况来自己定义一个中断结构，不论是在任务级调度还是中断发生或调度以及任务堆栈的初始化时，都要按照这个结构来执行。代价是必须对所编写的中断程序的汇编代码进行人工修改，使之符合这个中断结构。为设计一个符合要求的中断堆栈结构，首先必须清楚所使用的单片机在发生中断时执行了哪些操作，即向堆栈中保存了哪些寄存器以及它们的顺序。当MSP430单片机发生中断时，只进行2条基本操作，先将SR(状态寄存器)压入堆

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　　MSP430F148中就没有软中断指令，所使用的IAR编译器在发生中断时也不保存所有的寄存器，而是只保存几个在中断中使用到的寄存器。所有这些都是不符合uC/OS-II的移植条件的。我们的解决方法是根据具体情况来自己定义一个中断结构，不论是在任务级调度还是中断发生或调度以及任务堆栈的初始化时，都要按照这个结构来执行。代价是必须对所编写的中断程序的汇编代码进行人工修改，使之符合这个中断结构。

　　为设计一个符合要求的中断堆栈结构，首先必须清楚所使用的单片机在发生中断时执行了哪些操作，即向堆栈中保存了哪些寄存器以及它们的顺序。当MSP430单片机发生中断时，只进行2条基本操作，先将SR(状态寄存器)压入堆栈中保存，然后将中断发生时要执行的下一条指令的PC值压入堆栈保存。其次，要清楚所使用的C编译器在编译C语言编写的中断程序时，进行了哪些默认的操作。通过对所使用的IAR V2.13编译器编译产生的汇编程序进行分析，可以发现，除了以上的2条基本操作以外，在中断程序的开头，还自动保存了 R12~R15四个寄存器，余下的R4~Rll八个寄存器中只保存在中断程序中用到的个别寄存器，而不是全部保存。但在RTOS中必须保存所有的寄存器，这样才能正确保存该任务的状态。通过以上分析，我们定义了MSP430运行uC/OS-II时的中断堆栈结构，如图1所示。

　　3 如何保证单片机的低功耗特性

　　单片机在嵌入式方面的应用都非常强调单片机的超低功耗特性。MSP430系列的特点也在于此。如果由于运行RTOS而破坏了单片机的低功耗特性是得不偿失的。一般的单片机都规定了几种不同功耗的工作模式，可以根据具体的需求来选择。不同工作模式是通过读写1个或1组寄存器来控制CPU、时钟、晶振以及外围设备的运行来实现的。

　　MSP430系列单片机有6种不同的工作模式，都是通过对状态寄存器SR的读写来实现的。在RTOS中，由于每个任务都可以分别保存自己的状态，包括状态寄存器，所以在实现低功耗工作模式时更加灵活方便。首先，在设计每个任务时，都可以根据任务的具体要求定义它的工作模式。其次，在整个系统设计中，设计一个最低优先级的任务，其作用就是使系统进入特定的低功耗工作模式。这样，在其它任务都运行完毕后，系统会调用这个任务使整个系统进入低功耗工作模式。当其它任务又恢复运行时(如延时结束)，会自动进入其特定的工作状态，以达到降低功耗的目的。

　　4 如何减少RTOS在运行中占用的RAM空间

　　影响RTOS在单片机上应用的主要原因是由于在单片机上运行RTOS需要占用一定的系统资源，如系统时钟、RAM、FLASH或ROM等，从而减少了应用系统对资源的利用。特别是对RAM的占用。一般而言，单片机上的内部RAM数量都很少(如MSP430F148是整个MSP430中RAM最多的，也只有2 KB)，虽然可以通过外部扩展来增加RAM数量，但这样不仅增加了设计的难度和产品成本，而且有时还使系统应用无法进行扩展。所以，最好的方法是能够充分利用单片机的内部RAM来运行RTOS。

　　通过分析uC/OS-II对RAM的使用情况可知，占用RAM空间最多的原因，是由于在设计uC/OS-II时，要给每个任务都分配一个单独的任务堆栈。特别在单片机的硬件设计没有将中断堆栈与任务堆栈分开时，计算任务堆栈的大小时不仅要计算任务中变量和函数嵌套所使用的RAM大小，还必须计算该任务在运行时发生中断和中断嵌套所需要的RAM空间的大小。由于每一个任务均需预留中断和中断嵌套所需要的RAM空间的大小，所以使得大量RAM空间被浪费。最直接的解决方法就是利用软件来将任务堆栈和中断堆栈分离，使得在计算任务堆栈的大小时，只需计算任务本身所需的RAM空间大小，从而提高了RAM的使用效率，增加了更多的应用任务。

　　所谓将中断堆栈与任务堆栈分离，就是在内存中专门开辟出一块区域作为中断堆栈使用，任何一个任务运行时发生中断都只使用它。设计的原则：一是要尽量将中断任务与普通任务分开;二是模拟的中断堆栈指针必须一直保持在中断堆栈的顶部，即中断时中断堆栈指针要时刻保持与SP的同步变化。

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