51单片机上移植ucos-II

嵌入式实时操作系统实验报告51单片机上移植μC/OS-II系别计算机与电子系专业班级电子0901班学生姓名高傲指导教师黄向宇提交日期2012年4月17日一、实验目的理解移植μC/OS-II的一般原理及基本方法。掌握在51单片机上移植μC/OS-II的方法及步骤，掌握在51单片机上基于μC/OS-II系统构建应用程序的基本原理及方法。二、实验内容1.建立并熟悉编译及仿真调试环境（keil+proteus）。2.下载已移植好的软件包，在开发环境下建立工程编译并运行观察运行结果，使用Keil自带的仿真调试工具观察程序运行情况（内存的分配、变量及CPU寄存器的动态变化、任务的切换运行状态等）；比较移植前和移植后的相关文件，分析移植过程中做了哪些改动工作。3.结合前两次实验内容，在移植软件包的基础上尝试增加用户任务，并利用信号量、消息邮箱等建立任务之间的通信联系；同时尝试采用动态内存分配的方法为任务分配内存，使用Keil仿真工具观察程序运行情况并记录运行结果。4.输入课本P220的例子程序，编译运行并观察运行结果。5.将以上调试好的软件移植到proteus开发环境中去，利用proteus的硬件仿真环境创建几个实际任务（如键盘、显示器、LED点阵、数码管、时钟或温度传感器等）给每个赋以适当的优先级，配置合适的堆栈容量，编译运行并观察运行情况，显示信息可以用液晶显示器或虚拟终端来显示。三．实验原理1.移植的概念所谓移植，就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。为了方便移植，大部分的µC/OS-Ⅱ代码是用C语言写的；但仍需要用C和汇编语言写一些与处理器相关的代码，这是因为µC/OS-Ⅱ在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。由于µC/OS-Ⅱ在设计时就已经充分考虑了可移植性，所以µC/OS-Ⅱ的移植相对来说是比较容易的。要使µC/OS-Ⅱ正常运行，处理器必须满足以下要求：1.处理器的C编译器能产生可重入代码。2.用C语言就可以打开和关闭中断。3.处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)。4.处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈。5.处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。如果用户理解了处理器和C编译器的技术细节，移植µC/OS-Ⅱ的工作实际上是非常简单的。前提是您的处理器和编译器满足了µC/OS-Ⅱ的要求，并且已经有了必要工具。移植工作包括以下几个内容：用#define设置一个常量的值(OS_CPU.H)声明10个数据类型(OS_CPU.H)用#define声明三个宏(OS_CPU.H)用C语言编写六个简单的函数(OS_CPU_C.C)编写四个汇编语言函数(OS_CPU_A.ASM)根据处理器的不同，一个移植实例可能需要编写或改写50至300行的代码，需要的时间从几个小时到一星期不等。一旦代码移植结束，下一步工作就是测试。测试一个象µC/OS-Ⅱ一样的多任务实时内核并不复杂。甚至可以在没有应用程序的情况下测试。换句话说，就是让内核自己测试自己。这样做有两个好处：第一，避免使本来就复杂的事情更加复杂；第二，如果出现问题，可以知道问题出在内核代码上而不是应用程序。刚开始的时候可以运行一些简单的任务和时钟节拍中断服务例程。一旦多任务调度成功地运行了，再添加应用程序的任务就是非常简单的工作了。2.开发工具移植µC/OS-Ⅱ需要一个C编译器，并且是针对用户用的CPU的。因为µC/OS-Ⅱ是一个可剥夺型内核，用户只有通过C编译器来产生可重入代码；C编译器还要支持汇编语言程序。绝大部分的C编译器都是为嵌入式系统设计的，它包括汇编器、连接器和定位器。连接器用来将不同的模块(编译过和汇编过的文件)连接成目标文件。定位器则允许用户将代码和数据放置在目标处理器的指定内存映射空间中。所用的C编译器还必须提供一个机制来从C中打开和关闭中断。一些编译器允许用户在C源代码中插入汇编语言。这就使得插入合适的处理器指令来允许和禁止中断变得非常容易了。还有一些编译器实际上包括了语言扩展功能，可以直接从C中允许和禁止中断。3.目录和文件本书所付的磁盘中提供了µC/OS-Ⅱ的安装程序，可在硬盘上安装µC/OS-Ⅱ和移植实例代码（Intel80x86实模式，大模式编译)。我设计了一个连续的目录结构，使得用户更容易找到目标处理器的文件。如果想增加一个其它处理器的移植实例，您可以考虑采取同样的方法（包括目录的建立和文件的命名等等）。所有的移植实例都应放在用户硬盘的\SOFTWARE\µCOS-Ⅱ目录下。各个微处理器或微控制器的移植源代码必须在以下两个或三个文件中找到：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM。汇编语言文件OS_CPU_A.ASM是可选择的，因为某些C编译器允许用户在C语言中插入汇编语言，所以用户可以将所需的汇编语言代码直接放到OS_CPU_C.C中。放置移植实例的目录决定于用户所用的处理器，例如在下面的表中所示的放置不同移植实例的目录结构。注意，各个目录虽然针对完全不同的目标处理器，但都包括了相同的文件名。Intel/AMD80186\SOFTWARE\uCOS-II\Ix86S\OS_CPU.H\OS_CPU_A.ASM\OS_CPU_C.C\SOFTWARE\uCOS-II\Ix86L\OS_CPU.H\OS_CPU_A.ASM\OS_CPU_C.CMotorola68HC11\SOFTWARE\uCOS-II\68HC11\OS_CPU.H\OS_CPU_A.ASM\OS_CPU_C.CINCLUDES.H在第一章中曾提到过，INCLUDES.H是一个头文件，它在所有.C文件的第一行被包含。#includeincludes.hINCLUDES.H使得用户项目中的每个.C文件不用分别去考虑它实际上需要哪些头文件。使用INCLUDES.H的唯一缺点是它可能会包含一些实际不相关的头文件。这意味着每个文件的编译时间可能会增加。但由于它增强了代码的可移植性，所以我们还是决定使用这一方法。用户可以通过编辑INCLUDES.H来增加自己的头文件，但是用户的头文件必须添加在头文件列表的最后。OS_CPU.HOS_CPU.H包括了用#defines定义的与处理器相关的常量，宏和类型定义。OS_CPU.H的大体结构如程序清单L8.1所示。程序清单L8.1OS_CPU.H.#ifdefOS_CPU_GLOBALS#defineOS_CPU_EXT#else#defineOS_CPU_EXTextern#endif/**************************************************************************数据类型*(与编译器相关)*************************************************************************/typedefunsignedcharBOOLEAN;typedefunsignedcharINT8U;/*无符号8位整数*/(1)typedefsignedcharINT8S;/*有符号8位整数*/typedefunsignedintINT16U;/*无符号16位整数*/typedefsignedintINT16S;/*有符号16位整数*/typedefunsignedlongINT32U;/*无符号32位整数*/typedefsignedlongINT32S;/*有符号32位整数*/typedeffloatFP32;/*单精度浮点数*/(2)typedefdoubleFP64;/*双精度浮点数*/typedefunsignedintOS_STK;/*堆栈入口宽度为16位*//***************************************************************************与处理器相关的代码**************************************************************************/#defineOS_ENTER_CRITICAL()???/*禁止中断*/(3)#defineOS_EXIT_CRITICAL()???/*允许中断*/#defineOS_STK_GROWTH1/*定义堆栈的增长方向：1=向下,0=向上*/(4)#defineOS_TASK_SW()???(5)与编译器相关的数据类型因为不同的微处理器有不同的字长，所以µC/OS-Ⅱ的移植包括了一系列的类型定义以确保其可移植性。尤其是，µC/OS-Ⅱ代码从不使用C的short,int和long等数据类型，因为它们是与编译器相关的，不可移植。相反的，我定义的整型数据结构既是可移植的又是直观的[L8.1(2)]。为了方便，虽然µC/OS-Ⅱ不使用浮点数据，但我还是定义了浮点数据类型[L8.1(2)]。例如，INT16U数据类型总是代表16位的无符号整数。现在，µC/OS-Ⅱ和用户的应用程序就可以估计出声明为该数据类型的变量的数值范围是0－65535。将µC/OS-Ⅱ移植到32位的处理器上也就意味着INT16U实际被声明为无符号短整型数据结构而不是无符号整型数据结构。但是，µC/OS-Ⅱ所处理的仍然是INT16U。用户必须将任务堆栈的数据类型告诉给µC/OS-Ⅱ。这个过程是通过为OS_STK声明正确的C数据类型来完成的。如果用户的处理器上的堆栈成员是32位的，并且用户的编译文件指定整型为32位数，那么就应该将OS_STK声明位无符号整型数据类型。所有的任务堆栈都必须用OS_STK来声明数据类型。用户所必须要做的就是查看编译器手册，并找到对应于µC/OS-Ⅱ的标准C数据类型。OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()与所有的实时内核一样，µC/OS-Ⅱ需要先禁止中断再访问代码的临界段，并且在访问完毕后重新允许中断。这就使得µC/OS-Ⅱ能够保护临界段代码免受多任务或中断服务例程(ISRs)的破坏。中断禁止时间是商业实时内核公司提供的重要指标之一，因为它将影响到用户的系统对实时事件的响应能力。虽然µC/OS-Ⅱ尽量使中断禁止时间达到最短，但是µC/OS-Ⅱ的中断禁止时间还主要依赖于处理器结构和编译器产生的代码的质量。通常每个处理器都会提供一定的指令来禁止/允许中断，因此用户的C编译器必须要有一定的机制来直接从C中执行这些操作。有些编译器能够允许用户在C源代码中插入汇编语言声明。这样就使得插入处理器指令来允许和禁止中断变得很容易了。其它一些编译器实际上包括了语言扩展功能，可以直接从C中允许和禁止中断。为了隐藏编译器厂商提供的具体实现方法，µC/OS-Ⅱ定义了两个宏来禁止和允许中断：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()[L8.1(3)]。{OS_ENTER_CRITICAL();/*ｵµC/OS-II临界代码段*/OS_EXIT_CRITICAL();}方法1执行这两个宏的第一个也是最简单的方法是在OS_ENTER_CRITICAL()中调用处理器指令来禁止中断，以及在OS_EXIT_CRITICAL()中调用允许中断指令。但是，在这个过程中还存在着小小的问题。如果用户在禁止中断的情况下调用µC/OS-Ⅱ函数，在从µC/OS-Ⅱ返回的时候，中断可能会变成是允许的了！如果用户禁止中断就表明用户想在从µC/OS-Ⅱ函数返回的时候中断还是禁止的。在这种情况下，光靠这种执行方法可能是不够的。方法2执行OS_ENTER_CRITICAL()的第二个方法是先将中断禁止状态保存到堆栈中，然后禁止中断。而执行OS_EXIT_CRITICAL()的时候只是从堆栈中恢复中断状态。如果用这个方法的话，不管用户是在中断禁止还是允许的情况下调用µC/OS-Ⅱ服务，在整个调用过程中都不会改变中断状态。如果用户在中断禁止的时候调用µC/