自嵌入式系統開發以來，很長時間都采用前后臺系統軟件設計模式：主程序為一個無限循環，單任務順序執行。通過設置一個或多個中斷來處理異步事件。

這種系統對于簡單的應用是可以的，但對于實時性要求比較高的、處理任務較多的應用，就會暴露出實時性差、系統可靠性低、穩定性差等缺點。

μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統， 包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息 隊列）和內存管理等功能。它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。而且它內核源代碼公開，可移植性強，為編程人員提供了很好的一個軟件平臺。通過μC/OS-II在P89V51RD2 上的移植，可以掌握移植和測試μC/OS-II 的實質內容，很容易將其移植到其它的CPU平臺上。

μC/OS-II 介紹

μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到6 4位，μC/OS-II已在超過40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域， 如 手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫療設備及工業控制上。實際上，μC/OS-II已經通過了非常嚴格的 測試，并且得到了美國航空管理局（Federal Aviation Administration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩定可靠的，可用于與人性命攸關的安全緊要（safety critical）系統。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

μC/OS-II 內核結構

多任務系統中，內核負責管理各個任務 ，或者說為每個任務分配CPU 時間 ，并且負責任務之間的通訊。內核提供的基本服務是任務切換。 μC/OS-II可以管理多達64個任務。由于它的作者占用和保留了8個任務，所以留給用戶應用程序最多可有56個任務。賦予各個任務的優先級必須是不相同的。這意味著μC/OS-II不支持時間片輪轉調度法（round-robin scheduli ng）。μC/OS-II為每個任務設置獨立的堆棧空間，可以快速實現任務切換 。μC/OS-II近似地每時每刻總是讓優先級最高的就緒任務處于運行狀態，為了保證這一點，它在調用系統API 函數、中斷結束、定時中斷結束時總是執行調度算法，μC/OS-II通過事先計算好數據簡化了運算量，通過精心設計就緒表結構使得延時可預知。

P89V51RD2微處理器介紹

P89V51RD2是Philips公司生產的一款80C51微控制器，包含64KB Flash和1024字節的數據RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設計者可使應用程序以傳統的80C51時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2 方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半來保持特性不變，這 樣可以極大地降低EMI。FLASH程序存儲器支持并行和串行在系統編程（ISP），ISP允許在軟件控制下對成品中的器件進行重復編程。應用固件的 產生/更新能力實現了ISP的大范圍應用。 5V的工作電壓，操作頻率為0～40MHz。P89V51RD2的資源和ISP的功能使得它很適合用來做μC/OS-II的移植調試。并不需要購買仿真器和編程器等額外投資。

μC/OS-II 的移植

移植就是使μC/OS-II能在P89V51RD2上運行。為了方便移植，大部分的μC/OS-II的代碼是用C語言編寫的；但是仍需要用C語言和匯編語言編寫一些處理器硬件相關的代碼，這是因為μC/OS-II在讀/寫處理器寄存器時，只能通過匯編語言來實現。由于μC/OS-II在設計時就已經充分考慮了可移植性，所以μC/OS-II的移植相對來說是比較容易的。

硬件平臺構成

由于P89V51RD2是一款80C51微控制器，片內包含了64KB的FLASH程序存儲器，并且支持串行在線編程（ISP）。使它在ROM空間上很適合做μC/OS-II的移植。但是它片內RAM空間很有限，只有1KB，不能滿足μC/OS-II對RAM的要求。但是由于P89V51RD2可以擴展RAM空間，使這一問題得以解決。我們為它擴展了一片32KB的RAM來構成移植μC/OS-II的硬件平臺。這樣P89V51RD2就滿足了移植μC/OS-II的所有要求。

編譯器的選擇

由于μC/OS-II絕大部分代碼是用標準的C語言編寫的，所以C語言開發工具對于μC/OS-II是必不可少的。由于μC/OS-II是一個可剝奪行的占先式內核，所以要求C編譯器可以產生可重入型代碼。筆者選擇Keil C51集成開發環境作為開發工具。該開發工具有C編譯器，匯編器和鏈接定位器等工具構成。鏈接器用來將不同模塊（編譯過或匯編過的文件）鏈接成目標文件，定位器則允許將代碼和數據放置在目標處理器的指定內存中。Keil C51 還可以生成HEX格式的編程文件用于編程EPROM或是FLASH，同時可以實現完整軟件仿真支持。Keil C51支持所有8051變種的微控制器。通過設置編譯控制選項，它完全可以滿足編譯μC/OS-II源代碼的要求。

可重入函數問題

可重入函數可以被一個以上的任務調用，而不必擔心數據被破壞。可重入函數任何時候都可以被中斷，一段時間后又可以繼續運行，而相應的數據不會丟失。由于μC/OS-II是搶占式的實時多任務內核，同一個函數可能會被不同的任務調用，也可能會被中斷，因此，移植μC/OS-II要求C語言編譯器可以產生可重入函數。但是正常情況下Keil C51編譯器中的函數不能重入。原因是由于8051系列微控制 器的硬件堆棧很小，硬件堆棧指針SP最多只能在內部256字節的RAM內移動，不能夠指向64K的外部RA M空間。所以編譯器使用固定的RAM地址來存儲函數的參數和局部變量，而不是使用堆棧來存儲。為了在Keil C51中實現可重入函數，可以使用“reentrant”關鍵字聲明該函數是可重入的。編譯器可根據編譯模式為可重入函數在內部RAM或外部RAM空間開辟一個模擬堆棧來存儲可重入函數的參數和局部變量。可重入函數的返回地址仍然保存在硬件堆棧中。Cx51編譯手冊不推薦使用模擬堆棧，原因是受8051尋址方式的限制，模擬堆棧訪問的效率很低。但是這是在Keil C51中實現可重入函數的唯一方法。可重入函數模擬堆棧擁有獨立于硬件堆棧指針的模擬堆棧指針。模擬堆棧及其指針在啟動代碼文件“STARTUP.A51”中定義和初始化。

μC/OS-II源文件移植

在了解了P89V51RD2微處理器和Keil C51 編譯器的技術細節的基礎上，就可以開始μC/OS-II源文件移植的工作了。真正編寫移植代碼的工作就相對比較簡單了。圖1表示了基于μC/OS-II的應用的系統結構結構。由圖1可以看出由于μC/OS-II自生的絕大部分代碼是使用ANSI C編寫的，而且代碼的層次結構十分干凈，與平臺相關的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H這三個文件當中。下面分別解釋各個文件在P89V51RD2上的移植。

μC/OS-II中與處理器CPU 類型無關的代碼：uCOS_II.H和uCOS_II.C，其中uCOS_II.C 文件包含以下文件：OS_CORE.C OS_TASK.C OS_TIME.C OS_SEM.C OS_MBOX.C OS_MUTEX.C 和OS_FLAG.C 也就是說原則上這些文件可以直接添加不用修改。但是由于Keil C51編譯器的特殊性，這些代碼仍要多處改動，因為Keil C51缺省情況下編譯的代碼不可重入而多任務系統要求并發操作導致重入，所以要在每個C 函數及其聲明后標注reentrant 關鍵字，另外“pdata” 和“data” 在uCOS中用做一些函數的形參，但它同時又是Keil C51 的關鍵字，會導致編譯錯誤。我通過把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解決了此問題。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy 這幾個變量在匯編程序中用到了，為了使用寄存器R0或R1訪問而不用DPTR，應該用Keil C51擴展關鍵字IDATA將它們定義在內部RAM中。

OS_CPU.H的移植

OS_CPU.H包括了用#define語句定義的、與處理器相關的常數、宏及類型。因為不同的處理器有不同的字長，所以μC/OS-II的移植包括的一系列數據類型定義，以確保其可移植性。μC/OS-II代碼不使用語言中的short，int，及long等數據類型，因為它們是與編譯器相關的，是不可移植的。采用定義的整形數據結構等既是可移植的，又很直觀。參考Cx51編譯手冊，可以完成OS_CPU.H里所有數據類型的定義。

與所有的實時內核一樣，μC/OS-II需要先關中斷，再處置臨界段代碼，并且在處置完畢后重新開中斷。這樣可以保護臨界段代碼免受多任務或中斷服務子程序的破壞。為了隱藏不同編譯器提供的不同的關中斷和開中斷的實現方法，增強可移植性，μC/OS-II在OS_CPU.H中定義了2個宏，來開中斷和關中斷：OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）。根據P89V51RD2的結構和Keil C51提供的方法，我們通過置位或清零中斷允許位來實現。

代碼如下：

OS_ENTER_CRITICAL（） EA=“0”

OS_EXIT_CRITICAL（） EA=“1”

MCS-51 堆棧從下往上增長（1=向下0=向上） ，OS_STK_GROWTH 定義為0。

OS_TASK_SW（） OSCtxSw（） ，因為P89V51RD2沒有軟中斷指令所以用程序調用代替。在用匯編語言編寫的OSCtxSw（）中，模擬系統產生中斷時的堆棧操作。以保證系統任務的正確切換。

OS_CPU_C.C的移植

μC/OS-II的移植要求用戶在OS_CPU_C.C中編寫10個簡單的C函數。但唯一必要的μC/OS-II的移植要求用戶在OS_CPU_C.C中編寫10個簡單的C函數。但唯一 必要的是OSTaskStkInit（），其他九個必須聲明，但不一定要任何程序代碼。

OSTaskStkInit（）是在系統創建任務時用來初始化任務堆棧的，使堆棧看起來就象中斷剛發生一樣，所有寄存器都保存在堆棧中。由于P89V51RD2硬件堆棧很小，最多只能有在內部RAM空間的256字節。因此很難將所有任務的堆棧都用硬件堆棧來實現。為了解決這個問題，我們為每個任務在外部RAM空間都分配一段連續的存儲區，用來模擬每個任務的堆棧。

在μC/OS-II進行任務切換時，首先將P89V51RD2硬件堆棧中的內容復制到要失去CPU擁有權的任務的外部模擬堆棧區，然后將要得到CPU擁有權的任務的外部模擬堆棧中的有效數據復制到P89V51RD2的硬件堆棧中。這樣就實現了任務保護和切換。任務模擬堆棧和硬件的堆棧結構如圖2所示。TCB 結構體中OSTCBStkPtr 總是指向用戶堆棧最低地址，該地址空間內存放用戶堆棧長度，其上空間存放系統堆棧映像，即：任務模擬堆棧空間大小=系統硬件堆棧空間大小+1。SP 總是先加1再存數據，因此SP初始時指向系統堆棧起始地址（OSStack）減1 處（OSStkStart）。很明顯系統硬件堆棧存儲空間大小=SP-OSStkStart。編寫OSTaskStkInit（）主要完成用戶堆棧初始化，從下向上依次保存用戶堆棧長度（5），PCL， PCH，PSW， AC C，B， DPL， DPH，R0，R1， R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任務切換時根據用戶堆棧長度計算得出。緊接著的兩字節保存可重入函數仿真堆棧的指針X_CP的高8位和低8位，初始化為任務模擬棧的最高地址的高8位和低8位。OSTaskStkInit（）總是返回任務模擬棧的最低地址。

OS_CPU_A.ASM的移植

OS_CPU_A.ASM的移植要求用戶編寫4個簡單的匯編語言函數：

OSStartHighRdy（）

OSCtxSw（）

OSIntCtxSw（）

OSTickISR（）

μ C/OS-II的啟動函數OSStart（）調用OSStartHighRdy（）來使就緒態任務中優先級最高的任務開始運行，我們通過將任務模擬棧的有效長度內的數據復制到系統硬件堆棧，然后使用緊接著的兩字節來改寫X_CP的值。使可重入函數仿真堆棧指針指向該任務模擬棧的最高地址，這樣做是因為Keil C51使用的可重入函數仿真堆棧的增長方向是向下的，和系統硬件堆棧的增長方向相反。這樣就完成了OSStartHighRdy（）的移植。

OSCtxSw（）和OSIntCtxSw（）兩個匯編函數的功能主要完成任務的切換。不同的是OSCtxSw（）在任務級調用，而OSIntCtxSw（）是在中斷推出時調用。

對于在P89V51RD2上的移植而言，這兩個函數的實現基本相同。只是OSIntCtxSw（）在中斷調用中 由于OSIntExit（）和自身對硬件堆棧的影響，需要將要保存的SP指針向下調整4個字節，以消除影響。μC/OS-II在需要任務切換時，根據CPU是否處在中斷狀態選擇調用其中一個函數。如圖2堆棧結構 所示，任務切換時先保存當前任務堆棧內容，方法是：用SP-OSStkStart 得出保存字節數。

將其寫入任務模擬堆棧最低地址內。以任務模擬堆棧最低地址為起址，以OSStkStart為系統硬件堆棧起址，由系統堆棧向用戶堆棧拷貝數據。循環SP-OSStkStart次，每次拷貝前先將各自棧指針增1。其次恢復最高優先級任務系統堆棧方法是：獲得最高優先級任務用戶堆棧最低地址，從中取出長度。以最高優先級任務用戶模擬堆棧最低地址為起址，以OSStkStart 為系統堆棧起址，由任務模擬堆棧向系統堆棧拷貝數據。循環“有效長度”數值指示的次數。每次拷貝前先將各自棧指針增1。

μC/OS-II要求用戶提供一個周期性的時鐘源，來實現時間的延遲和超時功能。在P89V51RD2中我們通過定時器T0來提供時鐘源。頻率設為50Hz。T0的初始化函數在OS_CPU_C.C實現。時鐘節拍中斷服務子程序的編寫也很簡單，示意性代碼如下：

void OSTickISR（void）

{

保存處理器寄存器；

調用OSIntEnter（）;

定時器計數器重裝；

調用OSTimeTick（）;

調用OSIntExit（）;

恢復處理器寄存器；

執行中斷返回指令；

}

μC/OS-II 移植代碼的測試

完成μC/OS-II移植后，就要對移植的代碼進行測試。測試移植的μC/OS-II是否能夠完成任務調度、時間管理、任務管理與同步等功能，是否能夠啟動多 任務環境。在P89V51RD2的移植中，編寫簡單的測試程序進行多任務的測試。測試程序創建了4任務，任務AA，BB，CC和LEDFlash優先級分別為2，3，4，5。任務AA延時一秒通過串口輸出一次，任務BB延時3秒通過串口輸出一次，任務CC延時6秒通過串口輸出一次。

LedFlash等待信號量有效時，對P1.1口進行一次取反操作。P1.1連接LED驚醒觀察。定時器中斷服務子程序定時發出信號量。這樣任務LedFlash實現LED的閃爍功能。

μC/OS-II測試程序的文件結構，硬件測試結果和Keil C51的軟件仿真結果如圖3所示。結果表明μC/OS-II在P89V51RD2上的移植是成功的。

結語

通過μC/OS-II在P89V51RD2上的移植，掌握了μC/OS-II內核的工作原理和移植方法，測試程序表明移植代碼可以穩定可靠的運行，實現了多任務的管理和調度。μC/OS-II實時操作系統的移入，不但可以提高系統的實時性、可靠性和穩定性，還提高了應用軟件的可移植性，降低了開發人員的工作

責任編輯：gt