用協(xié)處理器提高μC/OS-II的實(shí)時(shí)性

μC/OS-II是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。本文提出用雙核單片機(jī)提高實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II實(shí)時(shí)性的新思路，給出以協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍的方法和步驟，測(cè)試并驗(yàn)證了該方法對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的提升以及計(jì)時(shí)精度的提高。

關(guān)鍵詞? μC/OS-II? HCS12X? XGATE實(shí)時(shí)性? 協(xié)處理器

引言

　　μC/OS-II最多支持63個(gè)任務(wù)，并支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制;同時(shí)，用戶可以根據(jù)需求對(duì)內(nèi)核中的功能模塊進(jìn)行裁剪。將μC/OS-II應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)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(shí)時(shí)性，μC/OS-II采用查表策略，使優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)一旦進(jìn)入就緒態(tài)就立刻可以運(yùn)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(shí)間是固定值，從而保證了系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)性。μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核中唯一一個(gè)執(zhí)行時(shí)間受任務(wù)數(shù)目影響的函數(shù)是時(shí)鐘節(jié)拍，時(shí)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(shí)間與任務(wù)數(shù)目有關(guān)，為非固定值。此外，時(shí)鐘節(jié)拍的頻率也不能太高，否則會(huì)因?yàn)?a target="_blank">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(shí)時(shí)性。

　　Freescale公司的16位HCS12X（簡稱“S12X”）系列單片機(jī)引入了一個(gè)協(xié)處理器，名為“XGATE”。與普通意義上的浮點(diǎn)協(xié)處理器不同，這個(gè)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(shí)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(shí)間都為固定值。這樣，μC/OS-II的實(shí)時(shí)性就得到了保證，還能以提高時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率的方法提高應(yīng)用系統(tǒng)定時(shí)的精度。

1? 單片機(jī)中的協(xié)處理器

　　HCS12X系列單片機(jī)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(shí)鐘頻率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系統(tǒng)時(shí)可決定使用或禁用XGATE。若使用，則XGATE在初始化后就獨(dú)立地運(yùn)行，并通過雙端口RAM與CPU交換數(shù)據(jù)，必要時(shí)向主CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。

　　XGATE處理完所有的中斷后進(jìn)入休眠態(tài)，停止運(yùn)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(duì)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(shì)不明顯。

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

2? 用XGATE實(shí)現(xiàn)μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍

　　μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷可以采用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷（RealTime Interrupt，RTI）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然也可以使用定時(shí)器中的計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍，原理相同，方法近似。使用XGATE來響應(yīng)RTI中斷，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)，XGATE協(xié)處理器和主CPU的分工如表1所列。

表1? XGATE與主CPU的分工

　　XGATE負(fù)責(zé)響應(yīng)RTI中斷，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍，并完成任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)；在任務(wù)延時(shí)完成后，通知CPU進(jìn)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(shí)通知CPU。主CPU則只負(fù)責(zé)運(yùn)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(shí)才會(huì)加載中斷服務(wù)子程序。使用XGATE來實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)需要設(shè)置S12X單片機(jī)中RTI中斷對(duì)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(jī)中，每一個(gè)I/O中斷都有一個(gè)中斷控制寄存器與之對(duì)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(jí)。

　　中斷控制寄存器中，RQST位為1時(shí)，中斷由XGATE來響應(yīng)；為0時(shí)，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(duì)應(yīng)的中斷控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL\[2∶0\]保存的是對(duì)應(yīng)中斷的優(yōu)先級(jí)，值越大，對(duì)應(yīng)中斷的優(yōu)先級(jí)越高。如果這3位均為0，那么對(duì)應(yīng)中斷會(huì)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(gè)函數(shù)ROUTE_INTERRUPT。這個(gè)函數(shù)需要的參數(shù)是對(duì)應(yīng)中斷的中斷向量相對(duì)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：

　　ROUTE_INTERRUPT(0xF0, 0x81);

　　其中，0xF0是RTI中斷向量相對(duì)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(shí)現(xiàn)μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍和S12X CPU實(shí)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。

　　S12X CPU的程序中聲明如下：

　　#pragma? DATA_SEG? SHARED_DATA
　　OS_TCBvolatile*OSTCBCur;//當(dāng)前任務(wù)控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBFreeList;//當(dāng)前空閑任務(wù)控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBHighRdy;//當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)控制塊指針
　　OS_TCBvolatile*OSTCBList;//任務(wù)控制塊鏈表入口指針
　　#pragma? DATA_SEG? DEFAULT

　　在XGATE的程序中，需要使用extern聲明這些變量，具體語句如下：

　　#pragma? DATA_SEG? SHARED_DATA
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBCur;//當(dāng)前任務(wù)控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBFreeList;//當(dāng)前空閑任務(wù)控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBHighRdy;//當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)控制塊指針
　　externOS_TCBvolatile*OSTCBList;//任務(wù)控制塊鏈表入口指針
　　#pragma? DATA_SEG? DEFAULT

2.3? XGATE與S12X CPU的指針變量變換

　　因?yàn)閄GATE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(shí)會(huì)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。

圖1? S12X CPU與XGATE的內(nèi)存空間分配對(duì)比

　　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(duì)XGATE來說，RAM空間的地址范圍為0x8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指針變量，則會(huì)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(cuò)。為了正確地共享指針變量，在XGATE中使用S12X CPU的指針變量時(shí)，需要對(duì)指針變量進(jìn)行變換。S12X系列中不同單片機(jī)成員的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512單片機(jī)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(shí)，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(gè)指針變量變換的代碼：

　　LDW R2,(R1,#0)；R1中是指針變量的地址，將指針的值放到R2
　　ADDH R2,#＄C0；將R2增加0xC000
　　MOV R1,R2；將變換后的指針放到R1
　　LDB R3, (R1,#0)；通過變換后的指針訪問變量

　　在XGATE協(xié)處理器中有8個(gè)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(gè)寄存器中的另外2個(gè)。

2.4? XGATE與S12X CPU的通信

　　XGATE處理RTI中斷時(shí)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(duì)需要延時(shí)的任務(wù)進(jìn)行延時(shí)計(jì)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(shí)計(jì)數(shù)器遞減到零時(shí)，該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要任務(wù)調(diào)度時(shí)才通知S12X CPU進(jìn)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(qǐng)求。該指令置位中斷標(biāo)志位，請(qǐng)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(gè)寄存器之一）：

　　CMP R5,#0 ；R5保存進(jìn)入就緒態(tài)且優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)高的任務(wù)數(shù)目
　　BEQ OUT；如果R5為0，那么無需任務(wù)調(diào)度
　　SIF；如果R5不為0，那么需要通知S12XCPU進(jìn)行任務(wù)調(diào)度
　　OUT: RTI；中斷子程序返回

　　由于遍歷任務(wù)控制塊鏈表和各任務(wù)延時(shí)計(jì)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(shí)需要進(jìn)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：

　　void OSTickISR(void) {//S12X CPU時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)
　　　　OSIntEnter();//中斷嵌套層數(shù)加1
　　　　XGIF0_XGIF_78 = 1;//清XGATE中斷
　　　　OS_SAVE_SP();//保存當(dāng)前任務(wù)棧
　　　　OSIntExit();//中斷嵌套層數(shù)減1并進(jìn)行任務(wù)調(diào)度
　　　　asm{ rti }//中斷返回
　　}

　　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(yùn)行時(shí)間也是固定值，因而μC/OS-II的實(shí)時(shí)性得到了確切的保證。

　　S12X CPU和XGATE的程序流程如圖2所示。

圖2? S12X CPU和XGATE的程序流程

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(gè)參數(shù)，需要將這個(gè)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(shí)進(jìn)入RTI中斷服務(wù)子程序。

　　XGATE的中斷向量表的寫法如下：

　　constXGATE_TableEntry? XGATE_VectorTable[] = {/*通道0～8都是不能使用XGATE來響應(yīng)的中斷，所以從通道9開始*/
　　{ErrorHandler, 0x09},//通道9，未使用
　　{ErrorHandler, 0x0A}, //通道10，未使用
　　…//其他通道，可以選擇使用
　　{RTI_Handler, (int)OSTCBList},//通道0x78，RTI中斷子程和參數(shù)，將控制塊鏈表作為參數(shù)
　　{ErrorHandler, 0x79},//通道0x79，IRQ中斷，未使用
　　};

　　其中，OSTCBList是XGATE響應(yīng)RTI中斷時(shí)需要帶入的參數(shù)，這里這個(gè)參數(shù)是μC/OS-II任務(wù)控制塊鏈表的首地址；XGATE_TableEntry是一個(gè)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(shí)現(xiàn)μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍的設(shè)置過程就完成了。

3? 效果測(cè)試與分析

　　為了驗(yàn)證用協(xié)處理器處理時(shí)鐘節(jié)拍中斷的效果，進(jìn)行如下測(cè)試：在同一S12X單片機(jī)上，分別使用和不使用XGATE處理μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷。在兩種情況下，建立同樣的10個(gè)任務(wù)，時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序中同樣只進(jìn)行任務(wù)控制塊鏈表遍歷和延時(shí)計(jì)數(shù)器減1，不做任務(wù)調(diào)度。這樣，μC/OS-II中會(huì)有一個(gè)任務(wù)總處于就緒態(tài)并一直運(yùn)行，這個(gè)一直運(yùn)行的任務(wù)會(huì)通過循環(huán)計(jì)數(shù)的方法在一個(gè)I/O端口上輸出一個(gè)方波。在同樣的總線時(shí)鐘和同樣頻率的時(shí)鐘節(jié)拍下，比較兩種μC/OS-II輸出的方波周期的差別。

　　測(cè)試的目的是，觀察μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序的加載，對(duì)正在系統(tǒng)中運(yùn)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(shí)計(jì)數(shù)器減1進(jìn)行對(duì)比，未使用XGATE的μC/OS-II中，S12X CPU的時(shí)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(duì)系統(tǒng)中正在運(yùn)行的任務(wù)輸出的方波進(jìn)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：

　　interruptvoid? OSTickISR(void) {
　　　　OS_TCB ptcb;
　　　　OSIntEnter();//中斷嵌套層數(shù)加1
　　　　OS_SAVE_SP();//保存當(dāng)前任務(wù)堆棧指針
　　　　CRGFLG |= 0x80;//清RTI中斷標(biāo)志位
　　　　ptcb = OSTCBList; //獲得中斷控制塊鏈表的表頭指針
　　　　while (ptcb>OSTCBPrio != OS_IDLE_PRIO) {//遍歷所有的任務(wù)控制塊
　　　　　　OS_ENTER_CRITICAL();//進(jìn)入臨界段代碼
　　　　　　if (ptcb>OSTCBDly != 0) { //對(duì)延時(shí)計(jì)數(shù)器非零的任務(wù)延時(shí)計(jì)數(shù)器減1ptcb>OSTCBDly;
　　　　　　}ptcb = ptcb>OSTCBNext; //指向下一個(gè)任務(wù)控制塊
　　　　　　OS_EXIT_CRITICAL();//離開臨界段代碼
　　　　}
　　　　OSIntExit();//中斷嵌套層數(shù)減1，必要時(shí)做任務(wù)調(diào)度
　　}

　　以上S12X CPU中斷服務(wù)子程序共有220條指令，需運(yùn)行538個(gè)周期。測(cè)試中采用了16 MHz的總線時(shí)鐘和16 kHz的μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍?？梢怨浪愠?，每次中斷服務(wù)子程序在S12X CPU中的運(yùn)行時(shí)間為33.6? μs，約相當(dāng)于62.5 μs時(shí)鐘節(jié)拍的53%，即S12X CPU需要用一多半的時(shí)間響應(yīng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，這顯然是不可取的。

　　在μC/OS-II中用XGATE處理時(shí)鐘節(jié)拍中斷時(shí)，當(dāng)無需做任務(wù)調(diào)度時(shí)，XGATE遍歷10個(gè)任務(wù)的控制塊鏈表，執(zhí)行延時(shí)計(jì)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(shí)間多為1～2個(gè)周期，故執(zhí)行148條指令共需要218個(gè)周期。在32 MHz時(shí)鐘頻率下，執(zhí)行時(shí)間大約7 μs，僅相當(dāng)于62.5 μs時(shí)鐘節(jié)拍的11％。這說明，即使使用短至62.5 μs的時(shí)鐘節(jié)拍，對(duì)XGATE的占用率也并不高。

　　通過以上測(cè)試可看出，由單一CPU運(yùn)行μC/OS-II，16 kHz的時(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行。故對(duì)于單一CPU，一般采用的時(shí)鐘節(jié)拍頻率不高于100 Hz，此時(shí)計(jì)時(shí)精度為±10 ms，以避免時(shí)鐘節(jié)拍中斷占用大量CPU運(yùn)行時(shí)間。

　　在用XGATE處理μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)，16 kHz的時(shí)鐘節(jié)拍并未對(duì)S12X CPU的任務(wù)運(yùn)行產(chǎn)生影響，這個(gè)頻率的時(shí)鐘節(jié)拍使μC/OS-II的定時(shí)精度高于±62.5 μs。利用協(xié)處理器XGATE來處理μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍，使主 CPU的執(zhí)行時(shí)間為固定值，因而保證了任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行，提升了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，高頻率的時(shí)鐘節(jié)拍也提高了計(jì)時(shí)精度。

4? 結(jié)論

　　μC/OS-II中，時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序需要遍歷整個(gè)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(gè)任務(wù)控制塊鏈表所花費(fèi)的時(shí)間就不同。時(shí)鐘節(jié)拍中斷所帶來的不確定性是影響μC/OS-II實(shí)時(shí)性指標(biāo)的唯一因素。采用協(xié)處理器來實(shí)現(xiàn)μC/OS-II的時(shí)鐘節(jié)拍可以很好地解決這個(gè)問題。

　　如果使用協(xié)處理器來響應(yīng)μC/OS-II的時(shí)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(shí)計(jì)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(shí)才會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，因此主CPU運(yùn)行中斷服務(wù)子程序的時(shí)間是固定值。由于主 CPU的運(yùn)行時(shí)間不會(huì)被時(shí)鐘節(jié)拍中斷占用，因而可以采用很高頻率的時(shí)鐘節(jié)拍來提高μC/OS-II的計(jì)時(shí)精度。