μC/OS-II最多支持63個任務(wù)，并支持信號量、郵箱、消息隊列等多種進程間通信機制；同時，用戶可以根據(jù)需求對內(nèi)核中的功能模塊進行裁剪。將μC/OS-II應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低成本都有重要的意義。

為了保證系統(tǒng)的實時性，μC/OS-II采用查表策略，使優(yōu)先級最高的任務(wù)一旦進入就緒態(tài)就立刻可以運行。這種查表算法與應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目無關(guān)，執(zhí)行時間是固定值，從而保證了系統(tǒng)的硬實時性。μC/OS-II實時內(nèi)核中唯一一個執(zhí)行時間受任務(wù)數(shù)目影響的函數(shù)是時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)子程序需要遍歷所有使用延遲函數(shù)的任務(wù)，故執(zhí)行時間與任務(wù)數(shù)目有關(guān)，為非固定值。此外，時鐘節(jié)拍的頻率也不能太高，否則會因為CPU頻繁加載中斷服務(wù)子程序，導(dǎo)致加重了CPU負(fù)荷，影響μC/OS-II的實時性。

Freescale公司的16位HCS12X（簡稱“S12X”）系列單片機引入了一個協(xié)處理器，名為“XGATE”。與普通意義上的浮點協(xié)處理器不同，這個協(xié)處理器主要用來處理中斷。如果采用協(xié)處理器來處理μC/OS-II時鐘節(jié)拍的中斷，那么主CPU無需頻繁加載中斷服務(wù)子程序，從而保證μC／OS-II內(nèi)核的所有函數(shù)執(zhí)行時間都為固定值。這樣，μC/OS-II的實時性就得到了保證，還能以提高時鐘節(jié)拍中斷頻率的方法提高應(yīng)用系統(tǒng)定時的精度。

1 單片機中的協(xié)處理器

HCS12X系列單片機中的XGATE協(xié)處理器是精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的處理器，它的工作時鐘頻率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系統(tǒng)時可決定使用或禁用XGATE。若使用，則XGATE在初始化后就獨立地運行，并通過雙端口RAM與CPU交換數(shù)據(jù)，必要時向主CPU發(fā)中斷請求。

XGATE處理完所有的中斷后進入休眠態(tài)，停止運行，直到下一次中斷發(fā)生。XGATE比較適合響應(yīng)的中斷主要是加載頻率高的中斷，或不帶通信緩沖區(qū)的I/O中斷，例如SCI發(fā)送或接收中斷、PWM輸出中斷等。而對于本身帶發(fā)送、接收緩沖區(qū)的中斷（如CAN中斷、USB中斷等），采用協(xié)處理器處理中斷優(yōu)勢不明顯。

μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷是一個頻繁發(fā)生的中斷，所以很適合采用XGATE來響應(yīng)。以下重點介紹如何用XGATE協(xié)處理器響應(yīng)μC/0S—II的時鐘節(jié)拍中斷。

2 用XGATE實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍

μC/0S-II的時鐘節(jié)拍中斷可以采用單片機的實時中斷（Real-Time Interrupt，RTI）來實現(xiàn)。當(dāng)然也可以使用定時器中的計數(shù)器來產(chǎn)生時鐘節(jié)拍，原理相同，方法近似。使用XGATE來響應(yīng)RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍時，XGATE協(xié)處理器和主CPU的分工如表1所列。

XGATE負(fù)責(zé)響應(yīng)RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍，并完成任務(wù)延時計數(shù)；在任務(wù)延時完成后，通知CPU進行任務(wù)調(diào)度。另外，XGATE還用來響應(yīng)其他中斷，在需要任務(wù)調(diào)度時通知CPU。主CPU則只負(fù)責(zé)運行任務(wù)（包括系統(tǒng)任務(wù)）和任務(wù)調(diào)度，只有在需要任務(wù)調(diào)度時才會加載中斷服務(wù)子程序。使用XGATE來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍的具體設(shè)置步驟如下所述。

2．1 將RTI中斷的控制權(quán)交給XGATE

為了將RTI中斷交由XGATE來處理，系統(tǒng)初始化時需要設(shè)置S12X單片機中RTI中斷對應(yīng)的中斷控制寄存器。中斷控制寄存器組成如下：

在S12X單片機中，每一個I／O中斷都有一個中斷控制寄存器與之對應(yīng)。中斷控制寄存器控制相應(yīng)的中斷是由S12X CPU響應(yīng)還是由XGATE來響應(yīng)，以及該中斷的優(yōu)先級。

中斷控制寄存器中，RQST位為1時，中斷由XGATE來響應(yīng)；為0時，中斷由S12X CPU響應(yīng)。為了使用XGATE來響應(yīng)RTI中斷，需要將RTI中斷對應(yīng)的中斷控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL［2：0］保存的是對應(yīng)中斷的優(yōu)先級，值越大，對應(yīng)中斷的優(yōu)先級越高。如果這3位均為0，那么對應(yīng)中斷會被禁用。

設(shè)置中斷控制寄存器可以調(diào)用編譯器提供的一個函數(shù)ROUTE_INTERRUPT。這個函數(shù)需要的參數(shù)是對應(yīng)中斷的中斷向量相對中斷向量表基址（0xFF00）的偏移量，以及中斷控制寄存器的值。設(shè)置RTI中斷控制寄存器的代碼如下：

RUUTE＿INTERRUPT （0xF0，0x81）；

其中，0xF0是RTI中斷向量相對中斷向量表基址的偏移量，0x81是要設(shè)置的中斷控制寄存器的值。

2．2 XGATE與S12X CPU的數(shù)據(jù)共享

XGATE實現(xiàn)μC／OS-II的時鐘節(jié)拍和S12X CPU實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，都需要訪問與系統(tǒng)的任務(wù)控制塊鏈表相關(guān)的變量，因此這些變量需要聲明為XGATE和S12X CPU的共享變量。共享變量的聲明需要加上“volatile”類型聲明，并使用“#pragma”預(yù)處理命令將其放在共享內(nèi)存中。

S12 CPU的程序中聲明如下：

在XGATE的程序中，需要使用extern聲明這些變量，具體語句如下：

2．3 XGATE與S12X CPU的指針變量變換

因為XGATE的內(nèi)存空間編址與S12X CPU的內(nèi)存空間編址不一樣，所以在指針變量共享時會存在問題。CPU的內(nèi)存空間和XGATE的內(nèi)存空間的差別如圖1所示。

從圖1中可以看出，在S12X CPU的尋址空間中，0x1000～0x3FFF為RAM空間；而對XGATE來說，RAM空間的地址范圍為Ox8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指針變量，則會導(dǎo)致XGATE訪問地址空間0x1000～0x3FFF，該區(qū)域?qū)τ赬GATE是Flash，從而出錯。為了正確地共享指針變量，在XGATE中使用S12x CPU的指針變量時，需要對指針變量進行變換。S12X系列中不同單片機成員的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512單片機為例，其內(nèi)部共有8 KB非分頁RAM，可全都設(shè)為S12X CPU和XGATE的共享內(nèi)存。這8 KB RAM在S12X CPU中的地址為0x2000～0x3FFF；而在XGATE中的地址為0xE000～0xFFFF，地址偏差為0xC000。因此，在XGATE使用S12X CPU的指針變量時，將指針變量的值加偏移量0xC000，就可以在XGATE程序中正常使用。

下面是XGATE程序中一個指針變量變換的代碼：

在XGATE協(xié)處理器中有8個寄存器，編譯器使用其中的R1來傳遞參數(shù)，上面程序中的R2、R3是8個寄存器中的另外2個。

2．4 XGATE與S12X CPU的通信

XGATE處理RTI中斷時先完成指針變換，然后遍歷μC/OS-II的所有任務(wù)控制塊鏈表，對需要延時的任務(wù)進行延時計數(shù)器減1操作。若無需任務(wù)調(diào)度，則XGATE回到休眠態(tài)，直到響應(yīng)下一次中斷。僅當(dāng)某任務(wù)延時計數(shù)器遞減到零時，該任務(wù)進入就緒態(tài)，需要任務(wù)調(diào)度時才通知S12X CPU進行任務(wù)切換。

在XGATE的中斷服務(wù)子程序中，中斷標(biāo)志指令SIF用于向S12X CPU發(fā)出中斷請求。該指令置位中斷標(biāo)志位，請求S12X CPU繼續(xù)響應(yīng)本次RTI中斷。在XGATE的中斷服務(wù)子程序中使用SIF 指令的代碼如下（其中R5是協(xié)處理器XGATE的8個寄存器之一）：

由于遍歷任務(wù)控制塊鏈表和各任務(wù)延時計數(shù)器減1的操作，以及無需任務(wù)調(diào)度的RTI中斷響應(yīng)都由XGATE完成了，S12X CPU只需要響應(yīng)確實需要進行任務(wù)調(diào)度的RTI中斷，使其中斷服務(wù)子程序大大簡化：

這樣，CPU的RTI中斷服務(wù)子程序所要執(zhí)行的代碼是固定的，每次的運行時間也是固定值，因而μC／OS-II的實時性得到了確切的保證。

S12X CPU和XGATE的程序流程如圖2所示。

2．5 設(shè)置XGATE向量表

為了使XGATE正常響應(yīng)中斷，需要把XGATE的RTI中斷服務(wù)子程序地址寫到XGATE的中斷向量表中。XGATE的中斷向量表的寫法與CPU的中斷向量寫法類似，只是XGATE的中斷子程序可代入一個參數(shù)，需要將這個參數(shù)也寫入中斷向量表。

在XGATE中斷向量表的確定位置，寫入RTI中斷服務(wù)子程序地址和參數(shù)變量，就可以使XGATE在響應(yīng)RTI中斷時進入RTI中斷服務(wù)子程序。

XGATE的中斷向量表的寫法如下：

其中，OSTCBList是XGATE響應(yīng)RTI中斷時需要帶入的參數(shù)，這里這個參數(shù)是μC/OS-II任務(wù)控制塊鏈表的首地址；XGATE＿TableEntry是一個編譯器自定義的結(jié)構(gòu)體變量類型；XGATE＿VectorTable［］是XGATE的中斷向量表。寫好XGATE的中斷向量表后，使用XGATE實現(xiàn)μC/OS-II時鐘節(jié)拍的設(shè)置過程就完成了。

3 效果測試與分析

為了驗證用協(xié)處理器處理時鐘節(jié)拍中斷的效果，進行如下測試：在同-S12x單片機上，分別使用和不使用XGATE處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷。在兩種情況下，建立同樣的10個任務(wù)，時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序中同樣只進行任務(wù)控制塊鏈表遍歷和延時計數(shù)器減1，不做任務(wù)調(diào)度。這樣，μC/OS-II中會有一個任務(wù)總處于就緒態(tài)并一直運行，這個一直運行的任務(wù)會通過循環(huán)計數(shù)的方法在一個I/O端口上輸出一個方波。在同樣的總線時鐘和同樣頻率的時鐘節(jié)拍下，比較兩種μC/OS-II輸出的方波周期的差別。

測試的目的是，觀察μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序的加載，對正在系統(tǒng)中運行的任務(wù)的影響。為了與XGATE處理任務(wù)控制塊鏈表遍歷和延時計數(shù)器減1進行對比，未使用XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序只保留與XGATE同樣的操作。沒有任務(wù)調(diào)度，也方便對系統(tǒng)中正在運行的任務(wù)輸出的方波進行觀察。

在不使用的XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的RTI中斷的中斷服務(wù)子程序代碼如下：

以上S12X CPU中斷服務(wù)子程序共有220條指令，需運行538個周期。測試中采用了16 MHz的總線時鐘和16 kHz的μC/OS-II時鐘節(jié)拍。可以估算出，每次中斷服務(wù)子程序在S12X CPU中的運行時間為33．6 μs，約相當(dāng)于62．5μs時鐘節(jié)拍的53％，即S12X CPU需要用一多半的時間響應(yīng)時鐘節(jié)拍中斷，這顯然是不可取的。

在μC/OS-II中用XGATE處理時鐘節(jié)拍中斷時，當(dāng)無需做任務(wù)調(diào)度時，XGATE遍歷10個任務(wù)的控制塊鏈表，執(zhí)行延時計數(shù)器減1操作，共需要148條指令。由于XGATE是RISC結(jié)構(gòu)的處理器，指令執(zhí)行時間多為1～2個周期，故執(zhí)行148條指令共需要218個周期。在32MHz時鐘頻率下，執(zhí)行時間大約7μs，僅相當(dāng)于62．5 μs時鐘節(jié)拍的11％。這說明，即使使用短至62．5μs的時鐘節(jié)拍，對XGATE的占用率也并不高。

通過以上測試可看出，由單一CPU運行μC/OS-II，16 kHz的時鐘節(jié)拍導(dǎo)致S12X CPU頻繁地加載中斷服務(wù)子程序，占用超過了50％，嚴(yán)重地影響了任務(wù)的實時運行。故對于單一CPU，一般采用的時鐘節(jié)拍頻率不高于100 Hz，此時計時精度為±10 ms，以避免時鐘節(jié)拍中斷占用大量CPU運行時間。

在用XGATE處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍時，16 kHz的時鐘節(jié)拍并未對S12X CPU的任務(wù)運行產(chǎn)生影響，這個頻率的時鐘節(jié)拍使μC/OS-II的定時精度高于±62．5 μs。利用協(xié)處理器XGATE來處理μC/OS-II的時鐘節(jié)拍，使主CPU的執(zhí)行時間為固定值，因而保證了任務(wù)的實時運行，提升了系統(tǒng)實時性，高頻率的時鐘節(jié)拍也提高了計時精度。

4 結(jié) 論

μC/OS-II中，時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序需要遍歷整個任務(wù)控制塊鏈表，不同應(yīng)用中任務(wù)數(shù)目不同，遍歷整個任務(wù)控制塊鏈表所花費的時間就不同。時鐘節(jié)拍中斷所帶來的不確定性是影響μC/OS-II實時性指標(biāo)的唯一因素。采用協(xié)處理器來實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍可以很好地解決這個問題。

如果使用協(xié)處理器來響應(yīng)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷，那么μC/OS—II任務(wù)控制塊鏈表的遍歷和延時計數(shù)器減1操作均由協(xié)處理器完成。主CPU只有在需要做任務(wù)調(diào)度時才會進入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，因此主CPU運行中斷服務(wù)子程序的時間是固定值。由于主CPU的運行時間不會被時鐘節(jié)拍中斷占用，因而可以采用很高頻率的時鐘節(jié)拍來提高μC/OS-II的計時精度。

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