AVR單片機的RTOS-AVRX應用

　　摘  要：詳細介紹AVR系列單片機的專用實時嵌入式操作系統AVRX的特點，并以ATmega16單片機為平臺，結合AVR單片機應用實例分析AVRX的內核代碼及移植方法，并對系統的相關性能進行測試。采用AVRX可以大大簡化程序設計，滿足實時要求，降低編程難度，提高系統可靠性。本文為在AVR單片機上進行嵌入式系統開發提供了參考。

　　關鍵詞： RTOS AVRX AVR單片機移植 系統測試

引 言

    隨著技術的發展，嵌入式系統的設計及應用對人們的生活產生了很大的影響，并將逐漸改變人們未來的生活方式。在特定的操作系統上開發應用程序，可以使開發人員忽略掉很多底層硬件細節，使得應用程序調試更方便、易于維護、開發周期縮短并且降低開發成本，因而嵌入式操作系統深得開發人員的青睞。
 
    AVR微處理器是Atmel公司開發的8位嵌入式RISC處理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等優點，而且程序存儲器和數據存儲器可獨立編址，并具有獨立訪問的哈佛結構。AVR單片機內核有豐富的指令集，通過32個通用寄存器直接與邏輯運算單元相連接，允許在一個周期內一條單一指令訪問兩個獨立的寄存器，這樣的結構使代碼的執行效率比傳統的復雜指令集微處理器快了將近lO倍。

    AVRX是由lbarello編寫的源碼公開的嵌入式操作系統，它專門針對AVR系列單片機的RTOS，具有免費和可以修改的特點。它的缺點是由于做為一種專用的操作系統很難移植到其他平臺上。

1 AVRX系統的特點

    AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點：
    ◆完全支持占先式、優先級驅動的任務調度算法；
    ◆16個優先級，相同的優先級的任務采用Round-robin調度算法輪流執行；
    ◆信號量可以用于信號傳遞、同步和互斥信號量，支持阻塞和非阻塞語法；
    ◆任務之間可以用消息隊列相互傳遞信息，接收和確認消息可以用阻塞和非阻塞調用；
    ◆在中斷子程序中，大部分非阻塞的中斷服務程序可以使用；
    ◆支持單個定時器的時間隊列管理，任何進程都可以設置一個定時器，并且任何一個任務都可以等待定時器時間到；
    ◆支持單步調試運行著的進程；
    ◆程序空間小，包含所有功能的版本占用1000字節；
    ◆與定時器／計數器有關的一些事務可以用AVRX寫成任務級代碼。

1．1任務

    AVRX2．6為了支持c語言，保存了所有的32個寄存器。最小的上下文是32個寄存器、SREG和PC，總共35個字節。AvrxInitTask()函數給所有的寄存器初始化為0X00。只有進程上下文保存在任務堆棧中，所有其他的使用(包括內核和中斷)保存在內核堆棧。這樣降低了第一個中斷的上下文切換和進入內核API的SRAM消耗。隨后的中斷(如果允許中斷嵌套)嵌入內核堆棧，API不進行上下文切換。

1．2信號量

    信號量是SRAM指針，它們有三種狀態：PEND、WAITING和DONE。當一個進程被一個信號量阻塞時，它處于WAITING狀態，多個任務可以排隊等候一個信號量。在后一種情況下，信號量可以看作互斥信號量。提供的API函數如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntsetSema-pore、AvrXWaitSemaplaore、AvrXTestSemapIlorc、AvrX-
IntTestSemaphore和AvrxResetSemaphore。

1.3定時器

    定時器控制塊(TCB)長度為4(或6)個字節。它們管理一個16位計數值。定時器隊列管理器管理一個分類的定時器隊列，每個都調整為所有計數器的和到其延時需要的值。提供的API函數如下：AvrXStartTimer、AvrXTim-erHandler、AvrXCancel Timer、AvrXWaitTimer、AvrX-TestTimer和AvrXDelay。

1.4消息隊列

    消息隊列用消息控制塊(MCB)做為隊列首地址。任何進程、中斷處理函數和多個進程都可以等待消息。MCB的長度是2或4個字節，消息可以認為是靈活性更大的信號量。提供的API函數如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMes-sage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWait-MessageAck。

1.5單步運行支持

    通過重新匯編內核AVRX，可以允許和禁止單步運行的支持。單步運行可以通過編譯內核庫時定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。在能夠單步運行以前，進程必須先暫停。有兩種方法實現：一是僅僅初始化進程但不使能；二是用目標進程的ID調用AvrXSuspend，一旦目標進程掛起，調試SPI就能使用了。提供的API函數有:AvrxStepNext和AvrXSin-gleStepNext。

1．6系統對象

    AVRX是圍繞系統對象的概念而構建的。系統對象包括一個鏈接和其后面的0個或者若干個字節的數據信號量。進程對象可以根據運行隊列和信號量排隊。計數器控制塊只能根據計數器隊列排隊。消息控制塊只能在消息隊列排隊。進程根據嵌入對象的信號量等待這些對象。進程堆棧中可用的SRAM是限制系統規模的主要因素，每個進程都需要至少10～35字節的空間來存儲進程上下文。提供的API函數如下：AvrXSetObjectSama-phore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObiectSama-phore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSama-phore和AvrXInfTestObjectSamaphore。

1.7系統堆棧

    AVRX需要足夠大的堆棧來處理所有可能的中斷嵌套。每次進入內核將會把10～35字節壓進堆棧(標準上下文和返回地址)，中斷處理可能壓進去更多。AVRX的API會臨時壓入2個以上的字節。GCC或者匯編代碼定義于SRAM的頂部，保證AVRX的堆棧在有效SRAM空間之內是設計者的工作。

2 AVRX系統的應用

2．1 AVRX在不同型號AVR單片機上的移植

    下面以ATmegM6為例，介紹移植工作。

(1)編譯器的選擇

    由于AVRX的編者是在GNU推出的AVR-GCC編譯器下編寫的，所以選用AVR-GCC編譯器可以大大提高AVRX在不同AVR單片機上的移植特性。

(2)重新編譯AVRX內核

    為了將應用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內核，重新編譯包括下述步驟。

    ①重新修改AVRX源碼的Makefile文件，需要修改的幾處如下：
    ABSPATH=…/avrx/*更改AVRX原路徑刊實際路徑下*/
    修改 MCU=8535
    AAVRMCU=1
    GCCMCU=at90s$(MICU)
    AVRXMCU=_AT90S$(MCU)_為  ICCMCU=m16
    AAVRMCU=3
    GCCMCU=atmega16
    AVRXMCU=_AT90Megal6_

    ②重新修改AVRX源碼的serialio．S文件，即根據不同的單片機修改串口部分的寄存器定義。需要增添如下代碼： 

    #if defined(UBRRL)
    #define UBRR UBRRL
    #endif
    #if defined(UBRRH)
    sts UBRRH, plh
    #endif

    ③重新編譯內核。具體做法是復制一個“命令提示符”到AVRX目錄下，運行“命令提示符”，鍵入“makegcc”命令后運行就完成了AVRX內核的重新編譯，會生
成很多的．o文件和avrx．a文件。這些文件在以后的應用程序中會使用。

    至此就完成了AVRX在ATmegal6單片機上的內核移植，接著就可以編寫應用程序了。

2．2在AVRX上編寫應用程序

    這時候要用一個新的makefile文件，同時自己的程序可以不和AVRX的內核在一個目錄，但是要指出依賴文件的明確路徑。makefile的框架可以采用Winavr的sam-ple文件夾下的makefile文件框架。這里的難點其實還是makefile文件的語法問題。下面介紹應用程序的makefile文件在實例中需要修改或增加的代碼：

MCU=atmegal6        /*微處理器的名字*/
TARGET=test         /*應用程序文件名*/
GCCLIB=$(AVRX)／avrx／avrx．a
GCCINC=-I．-I$(AVRX)／avrx-I$(AVR)／avr／inc  ／*加上相關的庫*／
SCANF_LIB_MIN=-Wl，-u，vfscanf-lscanf_min
SCANF_LlB_FLOAT= -Wl，一u，vfscannf-lscanl_flt
SCANF_LIB= ／*設置sacnf函數庫的類型，在不使用時可以
注釋掉，這樣可以減小編譯后的文件太小*／
LDFLAGS+=$(PRIBITF_LlB)$(SCANF_LIB)
$(MATH_LIB) ／*新增的連接器參數設定*／

3  系統測試

3.1  系統實時性測試

    在實時系統中，實時系統的實時性表現在系統對外部事件的響應能力上。系統通過中斷來響應外部事件的發生，并且在用戶中斷程序中做的事要盡量少，把大部分工作留給任務去做，只是通過信號量或者消息機制來通知任務運行。Mega16的定時器2設為比較匹配輸出模式，在匹配時間到了之后產生一定周期脈沖輸出，并產生中斷。設置定時器1為計數模式來計數產生的脈沖輸出。通過定時器2的比較匹配中斷服務子程序來發信號量通知任務運行，并在中斷子程序中不開中斷，而在任務得到信號后開中斷，以實現中斷處理與任務運行的同步。任務中對一個全局變量計數，以記錄任務執行的次數。運行一段時間后，在設置的匹配時間里，任務的運行次數和定時器1的計數一樣，則系統在這段時間里是能完全響應外部事件的。當定時器2的比較匹配時間設為大于23 μs時，2個計數是相等的；當小于23 μs時，定時器1計數值大于任務計數值，說明任務沒有完全得到響應。這說明中斷的進入和返回即系統對外部時間的響應和處理時間為23 μs，遠遠大于其他操作系統在AVR單片機上移植后的響應時間。

3．2應用例程測試

    這里只對源文件中的幾個例程先進行簡單的編譯，然后去掉不必要的代碼，加入自己想測試的一些代碼，進行了定時器控制模塊、信號量和消息隊列以其簡單組合的測試，均在ATmega16上達到了預期的效果。

4  心得體會

    ①AVRX的源碼都是用匯編語言編寫的，相對來講代碼效率很高，但是由于沒有詳細的API介紹文檔，所以最好的入門方法就是先讀懂RTOS的源碼和例程，然后進行修改，再加上自己的代碼逐漸熟練應用。

    ②AVRX需要分配的堆棧為35個字節加上任務代碼需要的額外堆棧，具體的大小取決于每個進程用的本地變量個數。比較好的確定分配給任務堆棧大小的方法是：分配很大的堆棧(如70字節)，運行一段應用程序后看堆棧到多深(因為GCC啟動時把所有內存都清0了，這樣很容易看到)。不過，為了安全起見，用編譯器或仿真器在估計堆棧的頂端寫入幾個字節的0xFFFFF去驗證到底達到了多少字節，然后分配給比測試結果多兩個以上的字節給這個任務。

    ③啟動的最后一個指令必須跳轉到Epilog()。

5  結論

    AVRX是一個不錯的RTOS，最顯著的特點就是內核小，速度快，編譯后大概只需500～700字節，且基本的調度功能一個也不少。由于其代碼公開，結合不同型號AVR單片機的特性，可以在此基礎上進行系統的裁減和擴展，使之能達到更好的效果。本文為AVR嵌入式系統的應用提供了借鑒。