用协处理器提高μC/OS-II的实时性

2.3 XGATE与S12X CPU的指针变量变换

因为XGATE的内存空间编址与S12X CPU的内存空间编址不一样，所以在指针变量共享时会存在问题。CPU的内存空间和XGATE的内存空间的差别如图1所示。  



图1 S12X CPU与XGATE的内存空间分配对比  

从图1中可以看出，在S12X CPU的寻址空间中，0x1000～0x3FFF为RAM空间；而对XGATE来说，RAM空间的地址范围为0x8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指针变量，则会导致XGATE访问地址空间0x1000～0x3FFF，该区域对于XGATE是Flash，从而出错。为了正确地共享指针变量，在XGATE中使用S12X CPU的指针变量时，需要对指针变量进行变换。S12X系列中不同单片机成员的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512单片机为例，其内部共有8 KB非分页RAM，可全都设为S12X CPU和XGATE的共享内存。这8 KB RAM在S12X CPU中的地址为0x2000～0x3FFF；而在XGATE中的地址为0xE000～0xFFFF，地址偏差为0xC000。因此，在XGATE使用S12X CPU的指针变量时，将指针变量的值加偏移量0xC000，就可以在XGATE程序中正常使用。  

下面是XGATE程序中一个指针变量变换的代码：  



2.4 XGATE与S12X CPU的通信  

XGATE处理RTI中断时先完成指针变换，然后遍历μC/OS-II的所有任务控制块链表，对需要延时的任务进行延时计数器减1操作。若无需任务调度，则XGATE回到休眠态，直到响应下一次中断。仅当某任务延时计数器递减到零时，该任务进入就绪态，需要任务调度时才通知S12X CPU进行任务切换。  

在XGATE的中断服务子程序中，中断标志指令SIF用于向S12X CPU发出中断请求。该指令置位中断标志位，请求S12X CPU继续响应本次RTI中断。在XGATE的中断服务子程序中使用SIF指令的代码如下（其中R5是协处理器XGATE的8个寄存器之一）：  



由于遍历任务控制块链表和各任务延时计数器减1的操作，以及无需任务调度的RTI中断响应都由XGATE完成了，S12X CPU只需要响应确实需要进行任务调度的RTI中断，使其中断服务子程序大大简化：  



这样，CPU的RTI中断服务子程序所要执行的代码是固定的，每次的运行时间也是固定值，因而μC/OS-II的实时性得到了确切的保证。  

S12X CPU和XGATE的程序流程如图2所示。  



图2 S12X CPU和XGATE的程序流程  

2.5 设置XGATE向量表  

为了使XGATE正常响应中断，需要把XGATE的RTI中断服务子程序地址写到XGATE的中断向量表中。XGATE的中断向量表的写法与CPU的中断向量写法类似，只是XGATE的中断子程序可代入一个参数，需要将这个参数也写入中断向量表。  

在XGATE中断向量表的确定位置，写入RTI中断服务子程序地址和参数变量，就可以使XGATE在响应RTI中断时进入RTI中断服务子程序。  

XGATE的中断向量表的写法如下：  



其中，OSTCBList是XGATE响应RTI中断时需要带入的参数，这里这个参数是μC/OS-II任务控制块链表的首地址；XGATE_TableEntry是一个编译器自定义的结构体变量类型；XGATE_VectorTable[]是XGATE的中断向量表。写好XGATE的中断向量表后，使用XGATE实现μC/OS-II时钟节拍的设置过程就完成了。  

3 效果测试与分析  

为了验证用协处理器处理时钟节拍中断的效果，进行如下测试：在同一S12X单片机上，分别使用和不使用XGATE处理μC/OS-II的时钟节拍中断。在两种情况下，建立同样的10个任务，时钟节拍中断服务子程序中同样只进行任务控制块链表遍历和延时计数器减1，不做任务调度。这样，μC/OS-II中会有一个任务总处于就绪态并一直运行，这个一直运行的任务会通过循环计数的方法在一个I/O端口上输出一个方波。在同样的总线时钟和同样频率的时钟节拍下，比较两种μC/OS-II输出的方波周期的差别。  

测试的目的是，观察μC/OS-II的时钟节拍中断服务子程序的加载，对正在系统中运行的任务的影响。为了与XGATE处理任务控制块链表遍历和延时计数器减1进行对比，未使用XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的时钟节拍中断服务子程序只保留与XGATE同样的操作。没有任务调度，也方便对系统中正在运行的任务输出的方波进行观察。

在不使用的XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的RTI中断的中断服务子程序代码如下：  



以上S12X CPU中断服务子程序共有220条指令，需运行538个周期。测试中采用了16 MHz的总线时钟和16 kHz的μC/OS-II时钟节拍。可以估算出，每次中断服务子程序在S12X CPU中的运行时间为33.6 μs，约相当于62.5 μs时钟节拍的53%，即S12X CPU需要用一多半的时间响应时钟节拍中断，这显然是不可取的。  

在μC/OS-II中用XGATE处理时钟节拍中断时，当无需做任务调度时，XGATE遍历10个任务的控制块链表，执行延时计数器减1操作，共需要148条指令。由于XGATE是RISC结构的处理器，指令执行时间多为1～2个周期，故执行148条指令共需要218个周期。在32 MHz时钟频率下，执行时间大约7 μs，仅相当于62.5 μs时钟节拍的11％。这说明，即使使用短至62.5 μs的时钟节拍，对XGATE的占用率也并不高。  

通过以上测试可看出，由单一CPU运行μC/OS-II，16 kHz的时钟节拍导致S12X CPU频繁地加载中断服务子程序，占用超过了50%，严重地影响了任务的实时运行。故对于单一CPU，一般采用的时钟节拍频率不高于100 Hz，此时计时精度为±10 ms，以避免时钟节拍中断占用大量CPU运行时间。  

在用XGATE处理μC/OS-II的时钟节拍时，16 kHz的时钟节拍并未对S12X CPU的任务运行产生影响，这个频率的时钟节拍使μC/OS-II的定时精度高于±62.5 μs。利用协处理器XGATE来处理μC/OS-II的时钟节拍，使主 CPU的执行时间为固定值，因而保证了任务的实时运行，提升了系统实时性，高频率的时钟节拍也提高了计时精度。