uCOS51移植心得

liyf 发表于 2014-10-5 11:50:39

uCOS51移植心得

前一段时间，我参与了一个SNMP网管板的项目，我负责硬件设计和单板软件开发。该板的硬件由MCS51+RTL8019AS组成，有64K FLASH 和64K SRAM。软件部分有操作系统和TCPIP协议栈。硬件比较简单，用了一个月就搞定了，协议栈我参考了老古开发板的部分程序又上网找了SNMP源代码也很快完成了，但是测试时发现当使用较低时钟频率的CPU时（为了降低成本），由于ASN.1编解码部分过于庞大，而我的程序又是一个大循环，AGENT的响应速度受到严重影响，用户界面也反应迟钝。更坏的消息是公司为了适应市场需求，还要在上面跑PPP和HTTP。那样的话，我就得用40MHz的AT89C51RD2或者人为的把程序断成几部分然后用状态机的方法在运行时再把它们连接起来。不过，我不想增加成本，也不想把程序搞乱，迫不得已，只好使用操作系统。说实在的，一开始我也不是很有把握，一来我不清楚51的FLASH是否装得下这么多代码，二来我只做过OS应用开发，对于它的移植想都不敢想。不过，我在BBS上搜索了一阵儿后还是有了一些头绪。我找到了几个OS的源代码（我喜欢用现成的），按照代码大小、实时性、使用人数、众人口碑等标准，最后选定了uCOS2。我感觉它的实时性有保障，延时可预测，代码据说可小到2K，网上讨论这个话题的人也比较多，而且它的网站上有针对KEIL C51的移植实例。
经过一番查找，我得到了5个版本。其中3个是用KEIL编译的。本来我想直接把OS代码嵌到应用程序中，但后来发现没有一个可以直接使用。有的无法用KEIL直接编译，有的需要修改DLL在软件仿真下使用。而我需要的是能在串口输入输出，不需要修改任何无关软件，能在软件仿真和硬件上运行的实时多任务操作系统。没有办法，我只好硬着头皮去改编。
我分析了自己的劣势：1。KEIL刚开始使用，不太熟悉；2。混合编程以前从没有作过；3。时间紧迫，要在1个月内搞定。而我的优势就是有5个移植实例可供参考，可以上网查资料。一开始，我用“堆栈”、“混合编程”、“汇编”、“ucos”等关键字在C51BBS和老古论坛上检索相关信息并逐条阅读，读过之后，头脑中的思路逐渐清晰了。我了解到在KEIL的HLP目录下有A51.PDF和C51.PDF非常全面的介绍了汇编和C51，是KEIL的权威用户手册；SP初始化、内存清0等操作在STARTUP.A51文件中实现，用户可以改写它；KEIL的变量，子程序等的分配信息可以在.M51文件里查到；KEIL自己的论坛里有很多疑难问题的解答……通过阅读并经过思考，解决了堆栈起点、堆栈空间大小的设定等关键问题。论坛里的问题有些是我没有想到的，这使我发现了自己的疏漏。
在网上获得大量信息后，我开始阅读《uCOSII》中文版，一共读了3遍。第一遍是浏览，了解到uCOSII包括任务调度、时间管理、内存管理、资源管理（信号量、邮箱、消息队列）四大部分，没有文件系统、网络接口、输入输出界面。它的移植只与4个文件相关：汇编文件（OS_CPU_A.ASM）、处理器相关C文件（OS_CPU.H、OS_CPU_C.C）和配置文件（OS_CFG.H）。有64个优先级，系统占用8个，用户可创建56个任务，不支持时间片轮转。第二遍主要是把整个工作过程在头脑里过了一下，不懂地方有针对性的查书，重点是思考工作原理和流程。我发现其实它的思路挺简单的。就是 “近似地每时每刻总是让优先级最高的任务处于运行状态” 。为了保证这一点，它在调用系统API函数、中断结束、定时中断结束时总是执行调度算法。原作者通过事先计算好数据，简化了运算量，通过精心设计就绪表结构，使得延时可预知。任务的切换是通过模拟一次中断实现的。第三遍重点看了移植部分的内容。对照实例，研究了代码的具体实现方法。
前期准备用了20几天，真正编写代码只用了1.5天，调试用了2天。具体过程如下：
(1)拷贝书后附赠光盘sourcecode目录下的内容到C:YY下，删除不必要的文件和EX1L.C，只剩下p187(《uCOSII》)上列出的文件。
(2)改写最简单的OS_CPU.H
   数据类型的设定见C51.PDF第176页。注意BOOLEAN要定义成unsigned char 类型，因为bit类型为C51特有，不能用在结构体里。
   EA=0关中断；EA=1开中断。这样定义即减少了程序行数，又避免了退出临界区后关中断造成的死机。
   MCU-51堆栈从下往上增长(1=向下，0=向上)，OS_STK_GROWTH定义为0
   #defineOS_TASK_SW() OSCtxSw() 因为MCU-51没有软中断指令，所以用程序调用代替。两者的堆栈格式相同，RETI指令复位中断系统，RET则没有。实践表明，对于MCU-51，用子程序调用入栈，用中断返回指令RETI出栈是没有问题的，反之中断入栈RET出栈则不行。总之，对于入栈，子程序调用与中断调用效果是一样的，可以混用。在没有中断发生的情况下复位中断系统也不会影响系统正常运行。详见《uC/OS-II》第八章193页第12行
(3)改写OS_CPU_C.C
   我设计的堆栈结构如下图所示：
*********************************************************************************
*
* ----------
* |OSTCBCur|
* ----------
* |
* | -----------------------                               ----------
* ---->|OSTCBCur->OSTCBStkPtr|                      SP---->|    |
*       -----------------------                               ----------
*                   |                                        |    |
*                   |       ---------- -                   ----------
*                   |       |    | |                   | . |
*                   |       ---------- |                   | . |
*                   |       |    | |                   | . |
*                   |       ---------- |                   ----------
*                   |       | . |长度                   |    | +1
*                   |       | . | |                   ----------
*                   |       | . | |       OSStack---->|    | 0
*                   |       ---------- |                   ----------
*                   |       |    | |    OSStkStart---->| 不关心 | -1 低地址
*                   |       ---------- -                   ----------
*                   -------->|长度| 低地址                系统堆栈
*                            ----------
*                               用户堆栈          长度=SP-OSStkStart
*********************************************************************************
   TCB结构体中OSTCBStkPtr总是指向用户堆栈最低地址，该地址空间内存放用户堆栈长度，其上空间存放系统堆栈映像，即：用户堆栈空间大小=系统堆栈空间大小+1。
   SP总是先加1再存数据，因此，SP初始时指向系统堆栈起始地址(OSStack)减1处(OSStkStart)。很明显系统堆栈存储空间大小=SP-OSStkStart。
   任务切换时，先保存当前任务堆栈内容。方法是：用SP-OSStkStart得出保存字节数，将其写入用户堆栈最低地址内，以用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由系统栈向用户栈拷贝数据，循环SP-OSStkStart次，每次拷贝前先将各自栈指针增1。
   其次，恢复最高优先级任务系统堆栈。方法是：获得最高优先级任务用户堆栈最低地址，从中取出“长度”，以最高优先级任务用户堆栈最低地址为起址，以OSStkStart为系统堆栈起址，由用户栈向系统栈拷贝数据，循环“长度”数值指示的次数，每次拷贝前先将各自栈指针增1。
   用户堆栈初始化时从下向上依次保存：用户堆栈长度（15），PCL，PCH，PSW，ACC，B，DPL，DPH，R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7。不保存SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出。
   OSTaskStkInit函数总是返回用户栈最低地址。
   操作系统tick时钟我使用了51单片机的T0定时器，它的初始化代码用C写在了本文件中。
   最后还有几点必须注意的事项。本来原则上我们不用修改与处理器无关的代码，但是由于KEIL编译器的特殊性，这些代码仍要多处改动。因为KEIL缺省情况下编译的代码不可重入，而多任务系统要求并发操作导致重入，所以要在每个C函数及其声明后标注reentrant关键字。另外，“pdata”、“data”在uCOS中用做一些函数的形参，但它同时又是KEIL的关键字，会导致编译错误，我通过把“pdata”改成“ppdata”，“data”改成“ddata”解决了此问题。OSTCBCur、OSTCBHighRdy、OSRunning、OSPrioCur、OSPrioHighRdy这几个变量在汇编程序中用到了，为了使用Ri访问而不用DPTR，应该用KEIL扩展关键字IDATA将它们定义在内部RAM中。
(4)重写OS_CPU_A.ASM
   A51宏汇编的大致结构如下：
   NAME 模块名 ;与文件名无关
   ;定义重定位段必须按照C51格式定义，汇编遵守C51规范。段名格式为：?PR?函数名?模块名
   ;声明引用全局变量和外部子程序注意关键字为“EXTRN”没有‘E’
      全局变量名直接引用
      无参数/无寄存器参数函数 FUNC
      带寄存器参数函数    _FUNC
      重入函数          _?FUNC
   ;分配堆栈空间
      只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。切莫自己分配堆栈起点，只要用DS通知KEIL预留堆栈空间即可。
      ?STACK段名与STARTUP.A51中的段名相同，这意味着KEIL在LINK时将把两个同名段拼在一起，我预留了40H个字节，STARTUP.A51预留了1个字节，LINK完成后堆栈段总长为41H。查看yy.m51知KEIL将堆栈起点定在21H，长度41H，处于内部RAM中。
   ;定义宏
      宏名 MACRO实体ENDM
   ;子程序
      OSStartHighRdy
      OSCtxSw
      OSIntCtxSw
      OSTickISR
      SerialISR
   END       ;声明汇编源文件结束

   一般指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据详见C51.PDF第178页
   低位地址存高8位值，高位地址存低8位值。例如0x1234，基址+0:0x12 基址+1:0x34

(5)移植串口驱动程序
   在此之前我写过基于中断的串口驱动程序，包括打印字节/字/长字/字符串，读串口，初始化串口/缓冲区。把它改成重入函数即可直接使用。
   系统提供的显示函数是并发的，它不是直接显示到串口，而是先输出到显存，用户不必担心IO慢速操作影响程序运行。串口输入也采用了同样的技术，他使得用户在CPU忙于处理其他任务时照样可以盲打输入命令。
(6)编写测试程序Demo(YY.C)
   Demo程序创建了3个任务A、B、C优先级分别为2、3、4，A每秒显示一次，B每3秒显示一次，C每6秒显示一次。从显示结果看，显示3个A后显示1个B，显示6个A和2个B后显示1个C，结果显然正确。
   显示结果如下：
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   BBBBBB333333 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   BBBBBB333333 is active
   CCCCCC666666 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   BBBBBB333333 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   AAAAAA111111 is active
   BBBBBB333333 is active
   CCCCCC666666 is active
   Demo程序经Keil701编译后，代码量为7-8K，可直接在KeilC51上仿真运行。
   编译时要将OS_CPU_C.C、UCOS_II.C、OS_CPU_A.ASM、YY.C加入项目

以上是我这次移植uCOS51的一些心得，写出来只是让准备在51上运行操作系统的同行们少走弯路并增强使用信心。我强烈推荐大家在自己的51系统中使用uCOS这个简单实用的自己的操作系统。它的大小应该不是问题，性能上的提高却是显著的。但愿此文能对朋友们有所帮助，错误在所难免，希望各位大虾指正，诸位高手们见笑了！

注：全部源码可来信索要(asdjf@163.com)，以下仅为关键代码部分。
文件名 : OS_CPU_A.ASM
$NOMOD51
EA BIT 0A8H.7
SP DATA 081H
B DATA 0F0H
ACC DATA 0E0H
DPH DATA 083H
DPL DATA 082H
PSW DATA 0D0H
TR0 BIT 088H.4
TH0 DATA 08CH
TL0 DATA 08AH
   NAME OS_CPU_A ;模块名

;定义重定位段
?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A SEGMENT CODE
?PR?OSCtxSw?OS_CPU_A       SEGMENT CODE
?PR?OSIntCtxSw?OS_CPU_A    SEGMENT CODE
?PR?OSTickISR?OS_CPU_A       SEGMENT CODE
?PR?_?serial?OS_CPU_A       SEGMENT CODE

;声明引用全局变量和外部子程序
   EXTRN IDATA (OSTCBCur)
   EXTRN IDATA (OSTCBHighRdy)
   EXTRN IDATA (OSRunning)
   EXTRN IDATA (OSPrioCur)
   EXTRN IDATA (OSPrioHighRdy)

   EXTRN CODE(_?OSTaskSwHook)
   EXTRN CODE(_?serial)
   EXTRN CODE(_?OSIntEnter)
   EXTRN CODE(_?OSIntExit)
   EXTRN CODE(_?OSTimeTick)

;对外声明4个不可重入函数
   PUBLIC OSStartHighRdy
   PUBLIC OSCtxSw
   PUBLIC OSIntCtxSw
   PUBLIC OSTickISR

   ;PUBLIC SerialISR

;分配堆栈空间。只关心大小，堆栈起点由keil决定，通过标号可以获得keil分配的SP起点。
?STACK SEGMENT IDATA
   RSEG ?STACK
OSStack:
   DS 40H
OSStkStart IDATA OSStack-1
;定义压栈出栈宏
PUSHALL MACRO
   PUSH PSW
   PUSH ACC
   PUSH B
   PUSH DPL
   PUSH DPH
   MOVA,R0 ;R0-R7入栈
   PUSH ACC
   MOVA,R1
   PUSH ACC
   MOVA,R2
   PUSH ACC
   MOVA,R3
   PUSH ACC
   MOVA,R4
   PUSH ACC
   MOVA,R5
   PUSH ACC
   MOVA,R6
   PUSH ACC
   MOVA,R7
   PUSH ACC
   ;PUSH SP ;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整
   ENDM

POPALL MACRO
   ;POPACC ;不必保存SP，任务切换时由相应程序调整
   POPACC ;R0-R7出栈
   MOVR7,A
   POPACC
   MOVR6,A
   POPACC
   MOVR5,A
   POPACC
   MOVR4,A
   POPACC
   MOVR3,A
   POPACC
   MOVR2,A
   POPACC
   MOVR1,A
   POPACC
   MOVR0,A
   POPDPH
   POPDPL
   POPB
   POPACC
   POPPSW
   ENDM

;子程序
;-------------------------------------------------------------------------
   RSEG ?PR?OSStartHighRdy?OS_CPU_A
OSStartHighRdy:
   USING 0 ;上电后51自动关中断，此处不必用CLR EA指令，因为到此处还未开中断，本程序退出后，开中断。
   LCALL _?OSTaskSwHook
OSCtxSw_in:

   ;OSTCBCur ===> DPTR获得当前TCB指针，详见C51.PDF第178页
   MOVR0,#LOW (OSTCBCur) ;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据
   INCR0
   MOVDPH,@R0 ;全局变量OSTCBCur在IDATA中
   INCR0
   MOVDPL,@R0

   ;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR获得用户堆栈指针
   INCDPTR    ;指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据
   MOVX A,@DPTR ;.OSTCBStkPtr是void指针
   MOVR0,A
   INCDPTR
   MOVX A,@DPTR
   MOVR1,A
   MOVDPH,R0
   MOVDPL,R1

   ;*UserStkPtr ===> R5用户堆栈起始地址内容(即用户堆栈长度放在此处)详见文档说明指针用法详见C51.PDF第169页
   MOVX A,@DPTR ;用户堆栈中是unsigned char类型数据
   MOVR5,A    ;R5=用户堆栈长度

   ;恢复现场堆栈内容
   MOVR0,#OSStkStart

restore_stack:

   INCDPTR
   INCR0
   MOVX A,@DPTR
   MOV@R0,A
   DJNZ R5,restore_stack

   ;恢复堆栈指针SP
   MOVSP,R0

   ;OSRunning=TRUE
   MOVR0,#LOW (OSRunning)
   MOV@R0,#01

   POPALL
   SETB EA ;开中断
   RETI
;-------------------------------------------------------------------------
   RSEG ?PR?OSCtxSw?OS_CPU_A
OSCtxSw:
   PUSHALL

OSIntCtxSw_in:

   ;获得堆栈长度和起址
   MOVA,SP
   CLRC
   SUBB A,#OSStkStart
   MOVR5,A ;获得堆栈长度

   ;OSTCBCur ===> DPTR获得当前TCB指针，详见C51.PDF第178页
   MOVR0,#LOW (OSTCBCur) ;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据
   INCR0
   MOVDPH,@R0 ;全局变量OSTCBCur在IDATA中
   INCR0
   MOVDPL,@R0

   ;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR获得用户堆栈指针
   INCDPTR    ;指针占3字节。+0类型+1高8位数据+2低8位数据
   MOVX A,@DPTR ;.OSTCBStkPtr是void指针
   MOVR0,A
   INCDPTR
   MOVX A,@DPTR
   MOVR1,A
   MOVDPH,R0
   MOVDPL,R1

   ;保存堆栈长度
   MOVA,R5
   MOVX @DPTR,A

   MOVR0,#OSStkStart;获得堆栈起址
save_stack:

   INCDPTR
   INCR0
   MOVA,@R0
   MOVX @DPTR,A
   DJNZ R5,save_stack

   ;调用用户程序
   LCALL _?OSTaskSwHook

   ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy
   MOVR0,#OSTCBCur
MOVR1,#OSTCBHighRdy
MOVA,@R1
   MOV@R0,A
   INCR0
INCR1
MOVA,@R1
   MOV@R0,A
   INCR0
INCR1
MOVA,@R1
   MOV@R0,A

   ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy使用这两个变量主要目的是为了使指针比较变为字节比较，以便节省时间。
   MOVR0,#OSPrioCur
MOVR1,#OSPrioHighRdy
MOVA,@R1
   MOV@R0,A

   LJMP OSCtxSw_in
;-------------------------------------------------------------------------
   RSEG ?PR?OSIntCtxSw?OS_CPU_A

OSIntCtxSw:
   ;调整SP指针去掉在调用OSIntExit(),OSIntCtxSw()过程中压入堆栈的多余内容
   ;SP=SP-4
   MOVA,SP
   CLRC
   SUBB A,#4
   MOVSP,A

   LJMP OSIntCtxSw_in
;-------------------------------------------------------------------------
   CSEG AT 000BH ;OSTickISR
   LJMP OSTickISR ;使用定时器0
   RSEG ?PR?OSTickISR?OS_CPU_A
OSTickISR:

   USING 0
   PUSHALL

   CLRTR0
   MOVTH0,#70H ;定义Tick=50次/秒(即0.02秒/次)
   MOVTL0,#00H ;OS_CPU_C.C和OS_TICKS_PER_SEC
   SETB TR0

   LCALL _?OSIntEnter
   LCALL _?OSTimeTick
   LCALL _?OSIntExit
   POPALL
   RETI
;-------------------------------------------------------------------------
   CSEG AT 0023H ;串口中断
   LJMP SerialISR ;工作于系统态，无任务切换。
   RSEG ?PR?_?serial?OS_CPU_A

SerialISR:

   USING 0
   PUSHALL
   CLREA
   LCALL _?serial
   SETB EA
   POPALL
   RETI
;-------------------------------------------------------------------------
   END
;-------------------------------------------------------------------------
文件名 : OS_CPU_C.C
void *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *ppdata, void *ptos, INT16U opt) reentrant
{
OS_STK *stk;
ppdata = ppdata;
opt = opt;                         //opt没被用到，保留此语句防止告警产生
stk = (OS_STK *)ptos;             //用户堆栈最低有效地址
*stk++ = 15;                         //用户堆栈长度
*stk++ = (INT16U)task & 0xFF;       //任务地址低8位
*stk++ = (INT16U)task >> 8;          //任务地址高8位
*stk++ = 0x00;                      //PSW
*stk++ = 0x0A;                      //ACC
*stk++ = 0x0B;                      //B
*stk++ = 0x00;                      //DPL
*stk++ = 0x00;                      //DPH
*stk++ = 0x00;                      //R0
*stk++ = 0x01;                      //R1
*stk++ = 0x02;                      //R2
*stk++ = 0x03;                      //R3
*stk++ = 0x04;                      //R4
*stk++ = 0x05;                      //R5
*stk++ = 0x06;                      //R6
*stk++ = 0x07;                      //R7
                                       //不用保存SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出。
return ((void *)ptos);
}
#if OS_CPU_HOOKS_EN
void OSTaskCreateHook (OS_TCB *ptcb) reentrant
{
ptcb = ptcb;                   /* Prevent compiler warning                                  */
}
void OSTaskDelHook (OS_TCB *ptcb) reentrant
{
ptcb = ptcb;                   /* Prevent compiler warning                                  */
}
void OSTimeTickHook (void) reentrant
{
}
#endif
//初始化定时器0
void InitTimer0(void) reentrant
{
TMOD=TMOD&0xF0;
TMOD=TMOD|0x01; //模式1(16位定时器)，仅受TR0控制
TH0=0x70; //定义Tick=50次/秒(即0.02秒/次)
TL0=0x00; //OS_CPU_A.ASM和OS_TICKS_PER_SEC
ET0=1;    //允许T0中断
TR0=1;
}
文件名 : YY.C
#include <includes.h>
#define MAX_STK_SIZE 64
void TaskStartyya(void *yydata) reentrant;
void TaskStartyyb(void *yydata) reentrant;
void TaskStartyyc(void *yydata) reentrant;
OS_STK TaskStartStkyya;//注意：我在ASM文件中设置?STACK空间为40H即64，不要超出范围。
OS_STK TaskStartStkyyb;//用户栈多一个字节存长度
OS_STK TaskStartStkyyc;
void main(void)
{
OSInit();

InitTimer0();
InitSerial();
InitSerialBuffer();

OSTaskCreate(TaskStartyya, (void *)0, &TaskStartStkyya,2);
OSTaskCreate(TaskStartyyb, (void *)0, &TaskStartStkyyb,3);
OSTaskCreate(TaskStartyyc, (void *)0, &TaskStartStkyyc,4);

OSStart();
}

void TaskStartyya(void *yydata) reentrant
{
yydata=yydata;
clrscr();
PrintStr("
*******************************
");
PrintStr(" * Hello! The world.    *
");
PrintStr(" *******************************

");

for(;;){
   PrintStr(" AAAAAA111111 is active.
");
   OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC);
}
}
void TaskStartyyb(void *yydata) reentrant
{
yydata=yydata;

for(;;){
   PrintStr(" BBBBBB333333 is active.
");
   OSTimeDly(3*OS_TICKS_PER_SEC);
}
}
void TaskStartyyc(void *yydata) reentrant
{
yydata=yydata;

for(;;){
   PrintStr(" CCCCCC666666 is active.
");
   OSTimeDly(6*OS_TICKS_PER_SEC);
}
}

李小路 发表于 2022-5-28 08:47:52

谢谢分享！:D

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