用协处理器提高μC/OS-II的实时性

μC/OS-II最多支持63个任务，并支持信号量、邮箱、消息队列等多种进程间通信机制;同时，用户可以根据需求对内核中的功能模块进行裁剪。将μC/OS-II应用到嵌入式系统中，对于提高产品的质量、缩短开发周期和降低成本都有重要的意义。  

为了保证系统的实时性，μC/OS-II采用查表策略，使优先级最高的任务一旦进入就绪态就立刻可以运行。这种查表算法与应用系统的任务数目无关，执行时间是固定值，从而保证了系统的硬实时性。μC/OS-II实时内核中唯一一个执行时间受任务数目影响的函数是时钟节拍，时钟节拍的中断服务子程序需要遍历所有使用延迟函数的任务，故执行时间与任务数目有关，为非固定值。此外，时钟节拍的频率也不能太高，否则会因为CPU频繁加载中断服务子程序，导致加重了CPU负荷，影响μC/OS-II的实时性。  

Freescale公司的16位HCS12X（简称“S12X”）系列单片机引入了一个协处理器，名为“XGATE”。与普通意义上的浮点协处理器不同，这个协处理器主要用来处理中断。如果采用协处理器来处理μC/OS-II时钟节拍的中断，那么主CPU无需频繁加载中断服务子程序，从而保证μC/OS-II内核的所有函数执行时间都为固定值。这样，μC/OS-II的实时性就得到了保证，还能以提高时钟节拍中断频率的方法提高应用系统定时的精度。  

1 单片机中的协处理器  

HCS12X系列单片机中的XGATE协处理器是精简指令集（RISC）结构的处理器，它的工作时钟频率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系统时可决定使用或禁用XGATE。若使用，则XGATE在初始化后就独立地运行，并通过双端口RAM与CPU交换数据，必要时向主CPU发中断请求。  

XGATE处理完所有的中断后进入休眠态，停止运行，直到下一次中断发生。XGATE比较适合响应的中断主要是加载频率高的中断，或不带通信缓冲区的I/O中断，例如SCI发送或接收中断、PWM输出中断等。而对于本身带发送、接收缓冲区的中断（如CAN中断、USB中断等），采用协处理器处理中断优势不明显。  

μC/OS-II的时钟节拍中断是一个频繁发生的中断，所以很适合采用XGATE来响应。以下重点介绍如何用XGATE协处理器响应μC/OS-II的时钟节拍中断。  

2 用XGATE实现μC/OS-II的时钟节拍  

μC/OS-II的时钟节拍中断可以采用单片机的实时中断（RealTime Interrupt，RTI）来实现。当然也可以使用定时器中的计数器来产生时钟节拍，原理相同，方法近似。使用XGATE来响应RTI中断，实现时钟节拍时，XGATE协处理器和主CPU的分工如表1所列。  
表1 XGATE与主CPU的分工  



XGATE负责响应RTI中断，实现时钟节拍，并完成任务延时计数；在任务延时完成后，通知CPU进行任务调度。另外，XGATE还用来响应其他中断，在需要任务调度时通知CPU。主CPU则只负责运行任务（包括系统任务）和任务调度，只有在需要任务调度时才会加载中断服务子程序。使用XGATE来实现时钟节拍的具体设置步骤如下所述。  

2.1 将RTI中断的控制权交给XGATE  

为了将RTI中断交由XGATE来处理，系统初始化时需要设置S12X单片机中RTI中断对应的中断控制寄存器。中断控制寄存器组成如下：  



在S12X单片机中，每一个I/O中断都有一个中断控制寄存器与之对应。中断控制寄存器控制相应的中断是由S12X CPU响应还是由XGATE来响应，以及该中断的优先级。  

中断控制寄存器中，RQST位为1时，中断由XGATE来响应；为0时，中断由S12X CPU响应。为了使用XGATE来响应RTI中断，需要将RTI中断对应的中断控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL\[2∶0\]保存的是对应中断的优先级，值越大，对应中断的优先级越高。如果这3位均为0，那么对应中断会被禁用。  

设置中断控制寄存器可以调用编译器提供的一个函数ROUTE_INTERRUPT。这个函数需要的参数是对应中断的中断向量相对中断向量表基址(0xFF00)的偏移量，以及中断控制寄存器的值。设置RTI中断控制寄存器的代码如下：  

ROUTE_INTERRUPT(0xF0, 0x81);  

其中，0xF0是RTI中断向量相对中断向量表基址的偏移量，0x81是要设置的中断控制寄存器的值。  

2.2 XGATE与S12X CPU的数据共享  

XGATE实现μC/OS-II的时钟节拍和S12X CPU实现任务调度，都需要访问与系统的任务控制块链表相关的变量，因此这些变量需要声明为XGATE和S12X CPU的共享变量。共享变量的声明需要加上“volatile”类型声明，并使用“#pragma”预处理命令将其放在共享内存中。  

S12X CPU的程序中声明如下：