分析uC/OS-II在MSP430单片机芯片上实现RTOS的问题

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。

为了达到这个目的，单片机芯片必须具备以下2个条件。

首先，单片机芯片必须有一个通用寄存器和相应的指令能够模仿堆栈指针SP的功能，即能实现软堆栈。在MSP430系列单片机中有以下指令可以仿真SP的功能(把R4作为中断堆栈指针使用)：

MOV @R4+，SP ;将R4所指向地址中的内容存入SP;中，同时R4中内容加2

MOV SP，0(R4) ;将SP中的内容存入R4所指向的地址中

MOV @R4+，PC ;将R4所指向地址中的内容存入PC;中，同时R4中内容加2

其次，作为模拟中断堆栈指针的寄存器R4，必须在中断之外的任何情况下不被使用。因为，此时的R4必须时刻保持在中断堆栈的顶部，如果改变它的值，就会改变中断堆栈的结构。一般这个要求是由所使用的编译器来保证的，在我们所使用的IAR编译器中，有一个选项可以避免使用R4和/或R5。

具体设计时，我们在uC/OS-II每个任务的TCB(任务控制块)结构中加入以下几项：

TSP--任务堆栈指针。发生中断后，指向该任务的任务堆栈的顶部。

ISP--中断堆栈指针。如果在中断中发生任务切换，指向该任务在中断堆栈所保存状态的顶部。

FromInt标志--是否来自中断标志。用来判断该任务的状态是保存在中断堆栈中(为1)，还是保存在任务堆栈中(为0)。

下面假设一个普通任务1在执行过程发生中断，对它在中断执行过程中可能出现的几种情况进行分析。

(1)在普通任务1运行时引发中断，在中断中没有激活更高优先级的任务，而是正常结束中断，继续执行任务1，如图2所示。

图2 情况1时的堆栈使用

开始中断：将在中断发生时保存在当前任务堆栈的SR和PC移到中断堆栈中保存，同时  SP回到中断前的位置并将它保存到该任务TCB中的TSP中(这是为了在中断结束后，保持任务堆栈的连续性)，然后将SP指到目前中断堆栈的顶部，按照自定义堆栈结构的顺序依次将所有寄存器都保存到中断堆栈中。保存的过程中R4必须与SP保持同步变化，同时将FromInt标志置l。

退出中断：由于没有激活更高优先级的任务，所以在中断任务完成后，将按正常的顺序退出中断，即将保存在中断堆栈中的寄存器推出堆栈，将FromInt标志置0，SP重新指向该任务的任务堆栈中，最后，将PC指针指向中断前的返回地址，继续程序运行。

(2)在普通任务1运行时引发中断，在中断中激活更高优先级的任务2。中断结束时由任务调度器调度去执行更高优先级的任务2，没有返回普通任务1。

当执行任务2时，任务调度器会将任务2保存在自己任务堆栈中的状态恢复并执行任务2。执行完后，如果没有激活更高优先级的任务，那么按照优先级高低的原则，调度器将调度执行任务1。通过判断任务1的TCB中的FromInt标志，可以知道任务1的状态是保存在任务堆栈中还是中断堆栈中，从而可以将其状态恢复，继续运行。

(3)在普通任务1运行时引发中断，在中断中激活更高优先级的任务2，执行任务2时又发生中断。

由于uC/OS-II是严格按照优先级抢占式原则进行任务调度的，所以将任务状态保存在中断堆栈顶部的任务的优先级一定比状态保存在它下面的任务的优先级高。在执行时，是由中断堆栈的顶部向底部顺序执行。在这种假设中，一定先执行任务2，然后执行任务1，如图3所示。

(4)在普通任务1运行时引发中断，在中断中激活更高优先级的任务2。在执行任务2时又发生中断，在中断过程中任务2由于等待信号量而被挂起。

这种情况在系统最初设计时已经被禁止，在中断中不允许使用信号量将中断挂起。

(5)  在普通任务1运行时引发中断，在中断中激活更高优先级的任务2。在执行任务2时又发生中断，中断中激活更高优先级的任务3。中断结束时由任务调度器调度去执行更高优先级的任务3。

这种情况与讨论的情况2是一样的。