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镇珠蜀袁
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1 ucos51 移植心得巨龙公司系统集成开发部杨屹 2002/10/03 引言自从发表 ucos51 移植心得以来我收到了很多朋友们的来信大家对公开源码表示鼓励谢谢大家的支持很多人对于编写自己的操作系统很感兴趣 ucos51 是个不错的选择它的优点是简单易懂学习成本低有利于向 32 位 CPU 过渡目前嵌入式 BBS 上的热点是嵌入式实时多任务操作系统单片机上网 32bitCPU 如 ARM 等其实通过 ucos51 学习完全可以掌握这些热门技术的精髓而且学习成本低廉为此我会陆续将我在研发过程中的经验体会写出来与大家交流共同进步我准备讨论以下内容 ucos51 高效内核 OS 人机界面 SHELL 的编写 51 机开发板的硬件设计 RTL8019AS 网卡驱动程序 51TCP/IP 协议栈设计应用协议 FTP PPP HTTP SMTP SNMP 在 51 上的实现技术 51OS 任务划分和应用程序实例由 51 软件系统向 ARM 的移植以及其他想到的题目欢迎大家积极参与注开发板原理图 PCB 图 GAL 烧录文件芯片手册全部源程序可以来信索取在整理好后会共享在网上讨论 1----uCOS51 高效内核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

2 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的地方有针对性地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就绪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 MCS-51 堆栈从下往上增长 (1= 向下 0= 向上 ) OS_STK_GROWTH 定义为 0 #define OS_TASK_SW() OSCtxSw() 因为 MCS-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 MCS-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

3 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

4 ; 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 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 BBBBBB is active

5 BBBBBB is active CCCCCC is active BBBBBB is active BBBBBB is active CCCCCC 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?PR?OSCtxSw?OS_CPU_A?PR?OSIntCtxSw?OS_CPU_A?PR?OSTickISR?OS_CPU_A SEGMENT CODE SEGMENT CODE SEGMENT CODE SEGMENT CODE

6 ?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 B PUSH DPL PUSH DPH MOV A,R0 MOV A,R1 MOV A,R2 MOV A,R3 ;R0-R7 入栈

7 MOV A,R4 MOV A,R5 MOV A,R6 MOV A,R7 ;PUSH SP ; 不必保存 SP 任务切换时由相应程序调整 ENDM POPALL MACRO ; ; 不必保存 SP 任务切换时由相应程序调整 ;R0-R7 出栈 MOV R7,A MOV R6,A MOV R5,A MOV R4,A MOV R3,A MOV R2,A MOV R1,A MOV R0,A POP DPH POP DPL POP B POP PSW 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

8 OSCtxSw_in: ;OSTCBCur ===> DPTR 获得当前 TCB 指针详见 C51.PDF 第 178 页 MOV R0,#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 MOV DPH,@R0 ; 全局变量 OSTCBCur 在 IDATA 中 MOV DPL,@R0 ;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR 获得用户堆栈指针 INC DPTR ; 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 MOV R0,A INC DPTR MOVX A,@DPTR MOV R1,A MOV DPH,R0 MOV DPL,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 178 页 MOVX A,@DPTR ; 用户堆栈中是 unsigned char 类型数据 MOV R5,A ;R5= 用户堆栈长度 ; 恢复现场堆栈内容 MOV R0,#OSStkStart restore_stack: INC DPTR MOVX A,@DPTR DJNZ R5,restore_stack ; 恢复堆栈指针 SP MOV SP,R0 ;OSRunning=TRUE MOV R0,#LOW (OSRunning)

9 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 MOV A,SP CLR C SUBB A,#OSStkStart MOV R5,A ; 获得堆栈长度 ;OSTCBCur ===> DPTR 获得当前 TCB 指针详见 C51.PDF 第 178 页 MOV R0,#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 MOV DPH,@R0 ; 全局变量 OSTCBCur 在 IDATA 中 MOV DPL,@R0 ;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ===> DPTR 获得用户堆栈指针 INC DPTR ; 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 MOV R0,A INC DPTR MOVX A,@DPTR MOV R1,A MOV DPH,R0 MOV DPL,R1 ; 保存堆栈长度 MOV A,R5 MOV R0,#OSStkStart ; 获得堆栈起址 save_stack: INC DPTR MOV A,@R0

10 DJNZ R5,save_stack ; 调用用户程序 LCALL _?OSTaskSwHook ;OSTCBCur = OSTCBHighRdy MOV R0,#OSTCBCur MOV R1,#OSTCBHighRdy MOV A,@R1 INC R1 MOV A,@R1 INC R1 MOV A,@R1 ;OSPrioCur = OSPrioHighRdy 节比较以便节省时间 MOV R0,#OSPrioCur MOV R1,#OSPrioHighRdy MOV A,@R1 使用这两个变量主要目的是为了使指针比较变为字 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 MOV A,SP CLR C SUBB A,#4 MOV SP,A LJMP OSIntCtxSw_in ; CSEG AT 000BH ;OSTickISR

11 LJMP OSTickISR ; 使用定时器 0 RSEG?PR?OSTickISR?OS_CPU_A OSTickISR: USING 0 PUSHALL CLR TR0 MOV TH0,#70H ; 定义 Tick=50 次 / 秒 ( 即 0.02 秒 / 次 ) MOV TL0,#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 CLR EA 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

12 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;

13 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[MAX_STK_SIZE+1];// 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[MAX_STK_SIZE+1];// 用户栈多一个字节存长度 OS_STK TaskStartStkyyc[MAX_STK_SIZE+1]; void main(void) OSInit(); InitTimer0(); InitSerial(); InitSerialBuffer(); OSTaskCreate(TaskStartyya, (void *)0, &TaskStartStkyya[0],2); OSTaskCreate(TaskStartyyb, (void *)0, &TaskStartStkyyb[0],3); OSTaskCreate(TaskStartyyc, (void *)0, &TaskStartStkyyc[0],4); OSStart(); void TaskStartyya(void *yydata) reentrant yydata=yydata; clrscr(); PrintStr("\n\t\t*******************************\n"); PrintStr("\t\t* Hello! The world. *\n");

14 PrintStr("\t\t*******************************\n\n\n"); for(;;) PrintStr("\t.\n"); OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC); void TaskStartyyb(void *yydata) reentrant yydata=yydata; for(;;) PrintStr("\tBBBBBB is active.\n"); OSTimeDly(3*OS_TICKS_PER_SEC); void TaskStartyyc(void *yydata) reentrant yydata=yydata; for(;;) PrintStr("\tCCCCCC is active.\n"); OSTimeDly(6*OS_TICKS_PER_SEC);

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031