uC/OS-II的任务切换机理及中断调度优化

引 言

　　在嵌入式操作系统领域，由Jean J. Labrosse开发的μC/OS，由于开放源代码和强大而稳定的功能，曾经一度在嵌入式系统领域引起强烈反响。而其本人也早已成为了嵌入式系统会议（美国）的顾问委员会的成员。

　　不管是对于初学者，还是有经验的工程师，μC/OS开放源代码的方式使其不但知其然，还知其所以然。通过对于系统内部结构的深入了解，能更加方便地进行开发和调试；并且在这种条件下，完全可以按照设计要求进行合理的裁减、扩充、配置和移植。通常，购买RTOS往往需要一大笔资金，使得一般的学习者望而却步；而μC/OS对于学校研究完全免费，只有在应用于盈利项目时才需要支付少量的版权费，特别适合一般使用者的学习、研究和开发。自1992第1版问世以来，已有成千上万的开发者把它成功地应用于各种系统，安全性和稳定性已经得到认证，现已经通过美国FAA认证。


1 μC/OS-II的几大组成部分

　　μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。

　　核心部分(OSCore.c) 是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。

　　任务处理部分(OSTask.c) 任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。

　　时钟部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。

　　任务同步和通信部分 为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。

　　与CPU的接口部分 是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。


2 对于MSP430的中断处理

2.1 函数调用和中断调用的操作

　　MSP430最常使用的C编译器应该就是IAR Embedd-ed WorkBench。对于这一编译器来说，通过分析和研究，发现它有以下规律。

(1)函数调用

　　如果是函数级调用，编译器会在函数调用时先把当前函数PC压栈，然后调用函数，PC值改变。
如果被调用的函数带有参数，那么，编译器按照以下的规则进行。

　　最左边的两个参数如果不是struct（结构体）或者union（联合体），将被赋值到寄存器，否则将被压栈。函数剩下的参数都将被压栈。根据最左边的那两个参数的类型，分别赋值给R12（对于32位类型赋值给R12:R13）和R14(对于32位类型赋值给R14:R15)。


(2)中断调用

　　如果是在中断中调用中断服务子程序的话，编译器将把当前执行语句的PC压栈，同时再把SR压栈。接着，根据中断服务子程序的复杂程度，选择把R12~R15中的寄存器压栈。然后，执行中断服务子程序。中断处理结束后再把Rx寄存器出栈，SR出栈，PC出栈。把系统恢复到中断前的状态，使程序接着被中断的部分继续运行。

图3 中断发生时的任务栈压栈操作

2.2 任务级和中断级的任务切换步骤和原理

(1)任务级的任务切换原理

　　 μC/OS-II是一个多任务的操作系统，在没有用户自己定义的中断情况下，任务间的切换步骤是这样的：任务间的切换一般会调用OSSched()函数。函数的结构如下：

void OSSched(void){
关中断
如果（不是中断嵌套并且系统可以被调度）{
确定优先级最高的任务
如果（最高级的任务不是当前的任务）{
调用OSCtxSw();
}
}
开中断
}

　　我们把这个函数称作任务调度的前导函数。它先判断要进行任务切换的条件，如果条件允许进行任务调度，则调用OSCtxSw()。这个函数是真正实现任务调度的函数。由于期间要对堆栈进行操作，所以OSCtxSw()一般用汇编语言写成。它将正在运行的任务的CPU的SR寄存器推入堆栈，然后把R4~R15压栈。接着把当前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高优先级的TCB->OSTCBStkPtr的值赋值给SP。这时候，SP就已经指到最高优先级任务的任务堆栈了。然后进行出栈工作，把R15~R4出栈。接着使用RETI返回，这样就把SR和PC出栈了。简单地说，μC/OS-II切换到最高优先级的任务，只是恢复最高优先级任务所有的寄存器并运行中断返回指令（RETI），实际上，所作的只是人为地模仿了一次中断。

(2)中断级的任务切换原理

　　μC/OS-II的中断服务子程序和一般前后台的操作有少许不同，往往需要这样操作：

保存全部CPU寄存器
调用OSIntEnter()或OSIntNesting++
开放中断
执行用户代码
关闭中断
调用OSIntExit();
恢复所有CPU寄存器
RETI

　　OSIntEnter()就是将全局变量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中断嵌套层数的变量。μC/OS-II通过它确保在中断嵌套的时候，不进行任务调度。执行完用户的代码后，μC/OS-II调用OSIntExit()，一个与OSSched()很像的函数。在这个函数中，系统首先把OSIntNesting减1，然后判断是否中断嵌套。如果不是的话，并且当前任务不是最高优先级的任务，那么找到优先级最高的任务，执行OSIntCtxSw()这一出中断任务切换函数。因为，在这之前已经做好了压栈工作；在这个函数中，要进行R15~R4的出栈工作。而且，由于在之前调用函数的时候，可能已经有一些寄存器被压入了堆栈。所以要进行堆栈指针的调整，使得能够从正确的位置出栈。