μC/OS-II是一种适用于嵌入式系统的抢占式实时多任务操作系统，开放源代码，便于学习和使用。介绍μC/OS-II在任务级和中断级的任务切换原理，以及这一操作系统基于嵌入式系统的对于中断的处理；相对于内存资源较少的单片机，着重讨论一种优化的实用堆栈格式和切换形式，以提高资源的利用率；结合MSP430单片机，做具体的分析。
1 μC/OS-II的几大组成部分
μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。
核心部分(OSCore.c) 是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。
任务处理部分(OSTask.c) 任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。
时钟部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。
任务同步和通信部分 为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。
与CPU的接口部分 是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。
2 对于MSP430的中断处理
2.1 函数调用和中断调用的操作
MSP430最常使用的C编译器应该就是IAR Embedd-ed WorkBench。对于这一编译器来说，通过分析和研究，发现它有以下规律。
(1)函数调用
如果是函数级调用，编译器会在函数调用时先把当前函数PC压栈，然后调用函数，PC值改变。
如果被调用的函数带有参数，那么，编译器按照以下的规则进行。
最左边的两个参数如果不是struct（结构体）或者union（联合体），将被赋值到寄存器，否则将被压栈。函数剩下的参数都将被压栈。根据最左边的那两个参数的类型，分别赋值给R12（对于32位类型赋值给R12:R13）和R14(对于32位类型赋值给R14:R15)。
(2)中断调用
如果是在中断中调用中断服务子程序的话，编译器将把当前执行语句的PC压栈，同时再把SR压栈。接着，根据中断服务子程序的复杂程度，选择把R12~R15中的寄存器压栈。然后，执行中断服务子程序。中断处理结束后再把Rx寄存器出栈，SR出栈，PC出栈。把系统恢复到中断前的状态，使程序接着被中断的部分继续运行。
2.2 任务级和中断级的任务切换步骤和原理
(1)任务级的任务切换原理
μC/OS-II是一个多任务的操作系统，在没有用户自己定义的中断情况下，任务间的切换步骤是这样的：任务间的切换一般会调用OSSched()函数。函数的结构如下：
void OSSched(void){
关中断
如果（不是中断嵌套并且系统可以被调度）{
确定优先级最高的任务
如果（最高级的任务不是当前的任务）{
调用OSCtxSw();
}
}
开中断
}
我们把这个函数称作任务调度的前导函数。它先判断要进行任务切换的条件，如果条件允许进行任务调度，则调用OSCtxSw()。这个函数是真正实现任务调度的函数。由于期间要对堆栈进行操作，所以OSCtxSw()一般用汇编语言写成。它将正在运行的任务的CPU的SR寄存器推入堆栈，然后把R4~R15压栈。接着把当前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高优先级的TCB->OSTCBStkPtr的值赋值给SP。这时候，SP就已经指到最高优先级任务的任务堆栈了。然后进行出栈工作，把R15~R4出栈。接着使用RETI返回，这样就把SR和PC出栈了。简单地说，μC/OS-II切换到最高优先级的任务，只是恢复最高优先级任务所有的寄存器并运行中断返回指令（RETI），实际上，所作的只是人为地模仿了一次中断。
(2)中断级的任务切换原理
μC/OS-II的中断服务子程序和一般前后台的操作有少许不同，往往需要这样操作：
保存全部CPU寄存器
调用OSIntEnter()或OSIntNesting++
开放中断
执行用户代码
关闭中断
调用OSIntExit();
恢复所有CPU寄存器
RETI
OSIntEnter()就是将全局变量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中断嵌套层数的变量。μC/OS-II通过它确保在中断嵌套的时候，不进行任务调度。执行完用户的代码后，μC/OS-II调用OSIntExit()，一个与OSSched()很像的函数。在这个函数中，系统首先把OSIntNesting减1，然后判断是否中断嵌套。如果不是的话，并且当前任务不是最高优先级的任务，那么找到优先级最高的任务，执行OSIntCtxSw()这一出中断任务切换函数。因为，在这之前已经做好了压栈工作；在这个函数中，要进行R15~R4的出栈工作。而且，由于在之前调用函数的时候，可能已经有一些寄存器被压入了堆栈。所以要进行堆栈指针的调整，使得能够从正确的位置出栈。
3 使用μC/OS-II存在的问题和解决方法 由于μC/OS-II在应用的时候会占用单片机上的一些资源，如系统时钟、RAM、Flash或者ROM，从而减少了用户程序对资源的利用。对于MSP430来说，RAM的占用是特别突出的问题。对于8、16位的单片机来说，片内的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片内RAM也只有2KB，例如MSP430F149）。如果使用扩展内存，会大大增加设计难度。
通过对μC/OS-II的分析可以得知，μC/OS-II占用的RAM主要是用在每个任务的TCB、每个任务的堆栈等方面。通过进一步分析，发现任务堆栈大的原因是因为MSP430的硬件设计中没有把中断堆栈和任务堆栈分开。这样就造成了在应用μC/OS-II的时候，考虑每个任务的任务堆栈大小时，不单单需要计算任务中局部变量和函数嵌套层数，还需要考虑中断的最大嵌套层数。因为，对于μC/OS-II原始的中断处理的设计、中断处理过程中的中断嵌套中所需要压栈的寄存器大小和局部变量的内存大小，都需要算在每个任务的任务堆栈中，则对于每一个任务都需要预留这一部分内存，所以大量的RAM被浪费。从这里可以看出，解决这一问题的直接方法就是把中断堆栈和每个任务自己的堆栈分开。这样，在计算每个任务堆栈的时候，就不需要把中断处理中（包括中断嵌套过程中）的内存的占用计算到每个任务的任务堆栈中，只需要计算每个任务本身需要的内存大小，从而提高了RAM的利用率，可以缓解内存紧张的问题。
在这种设计方案中，中断堆栈区也就是利用原有的MSP430中的系统堆栈区。在前后台的设计形式中，中断中的压栈和出栈的操作都是在系统的堆栈区完成的。基于μC/OS-II的任务切换的原理，我们对于任务堆栈的功能和系统堆栈的功能做了以下划分：任务在运行过程中产生中断和任务切换的时候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各个任务自己的任务堆栈中；而中断嵌套产生的压栈和出栈的操作都是放在系统堆栈中进行的。这种划分方式是基于尽量将中断任务与普通任务分开的思想设计的。
从前面对于IAR EW的默认操作分析来看，堆栈的结构可以有两种。一种是把μC/OS-II的任务堆栈设计成图1所示的形式。这种方法是把编译器默认的压栈操作放在前面，然后再把剩下的寄存器进栈。但是，由于编译器在处理复杂程度不同的中断服务程序的时候，压入栈的寄存器的数量不定，所以会对以后其余寄存器的压栈和出栈操作增加复杂度。这里，我们采用了图2所示的方式生成堆栈。在这种堆栈中，PC和SR压栈后，通过调整SP指针，使得R4~R15寄存器覆盖编译器默认压栈的寄存器。这样，处理的难度会小一点。 |
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