uC/OS-II在电能计量电表中的应用研究

 目前嵌入式系统正在不断地向智能化、网络化的方向发展,在实时控制系统中采用嵌入式操作系统已成为当前嵌入式应用系统中的一个发展方向。

本文以开发电能计量电表中应用C/OS-II为实例,介绍了将实时嵌入式操作系统C/OS-II移植到目标系统中的方法,分析和研究了在单片机系统中使用嵌入式操作系统的有关问题。

1 引言

随着后PC时代和网络以及通信技术时代的到来,嵌入式操作系统在通信、电子、自动化等领域受已经到了越来越多的关注。因为一个好的嵌入式实时操作系统能够提高产品的研制效率,缩短产品的开发周期,所以许多生产厂家正在纷纷考虑采用嵌入式操作系统技术来开发自己的产品。

实时嵌入式操作系统的种类繁多,大体可分为两种——商用型及免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠、有完善技术支持及售后服务,但其昂贵价格限制了它在为数众多的低端低成本的场合的应用。并且对这些场合来讲,一个包含网络协议核、文件管理,内存管理的操作系统实在显得过于庞大了。它们需要的仅仅是一个稳定的包含任务管理及进程调度的实时内核,对一个 8位或16位单片机的应用场合,一个代码长度不超过10KB,占用系统资源不超过10%象mC/OS-II这样的实时内核是非常适合的。

2 mC/OS-II 系统简介

mC/OS-II 是由Labrose先生编写的开放式内核,具有源码公开,可移植、可固化、可裁剪,稳定性及可靠性高的特点。其内核提供任务调度与管理、时间管理任务同步与通信、内存管理及中断服务等功能,支持64用户服务。90%的代码函数用标准的ANSI C语言书写,程序可读性强、移植性好。适合于小型控制系统,具有执行效率高,占用空间小,实时性能优良,可扩展性强的特点,加之它稳定、可靠,现已被广泛应用在航空、医疗器械、工业控制等领域,被证明是一个成熟稳定的实时内核。

3 在AT89C51上运行mC/OS-II

要使用mC/OS-II,首先就必须把这个内核成功地移植到使用的CPU上去。下面就给出在电能计量电表所用的AT89C51上移植mC/OS-II过程。mC/OS-II移植的软件部分要完成以下工作。

3.1 与编译器有关的代码

在不同的处理器中有不同的字长,所以必须定义一系列数据类型以确保移植的正确性。在C/OS-II中,不使用C的char、int和long等数据类型,这些都是和编译器相关的,在AT89C51处理器中,各种数据类型定义如下:

typedef unsigned char BOOLEAN;

typedef unsigned char INT8U;

typedef signed char INT8S;

typedef unsigned int INT16U;

typedf signed int INT16S;

typedef unsigned long INT32U;

typedef signed long INT32S;

typedef float FP32;

typedef double FP64;

typedef unsigned char OS_STK;

mC/OS-II需要先禁止中断访问代码的临界区,并且在访问完毕后重新允许中断。mC/OS-II定义了两个宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来禁止和允许中断。实现方法如下:

#define OS_ENTER_CRITICAL() EA = 0

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA = 1

#define OS_STK_GROWTH 0

#define OS_TASK_SWO 0SCtxSW()

3.2 4个汇编语言函数

这部分需要对处理器的寄存器进行操作,所以必须用汇编语言来编写。 mC/OS-II的移植要求用户编写4个简单的汇编语言函数：OSStarHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。

OSStarHighRdy()在多任务系统启动函数OSStar()中调用。主要功能是将就绪表中最高优先级任务的栈指针加载到SP中,并强制中断返回。这样就绪的最高优先级任务就如同从中断处理返回到运行态一样,使得整个系统得以运转。

OSCtxSw()在任务级任务切换函数中调用。任务级的切换问题是通过发软中断命令或依靠处理器执行陷阱指令来完成的。由于AT89C51没有软中断命令或依靠处理器执行陷阱指令,所以用OS_TASK_SW()直接调用OSCtxSw()来完成。

OSIntCtxSw()通过调用OSIntCtxSw()来从ISR中执行切换功能。具体完成任务是调整堆栈指针,保存当前任务的SP,载入就绪最高优先级任务的SP,恢复就绪最高优先级任务的环境变量,中断返回,从而完成中断级任务切换。

OSTickISR()是系统时钟节拍中断服务函数。这是一个周期性中断,为内核提供时钟节拍,频率越高系统负荷越重。此外还要编写6个与操作系统有关的函数,有关这些函数具体功能更详细的阐述,请参考文献[1][2]。做完以上工作后,mC/OS-II就可以运行了。