引 言   

       隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)人們的生活產(chǎn)生了很大的影響,，并將逐漸改變?nèi)藗兾磥淼纳罘绞?。在特定的操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序，可以使開發(fā)人員忽略掉很多底層硬件細(xì)節(jié),，使得應(yīng)用程序調(diào)試更方便,、易于維護(hù)、開發(fā)周期縮短并且降低開發(fā)成本,，因而嵌入式操作系統(tǒng)深得開發(fā)人員的青睞,。    

       AVR微處理器是Atmel公司開發(fā)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(yōu)點(diǎn),，而且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立編址,，并具有獨(dú)立訪問的哈佛結(jié)構(gòu),。AVR單片機(jī)內(nèi)核有豐富的指令集，通過32個(gè)通用寄存器直接與邏輯運(yùn)算單元相連接,，允許在一個(gè)周期內(nèi)一條單一指令訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器,，這樣的結(jié)構(gòu)使代碼的執(zhí)行效率比傳統(tǒng)的復(fù)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(tǒng),，它專門針對(duì)AVR系列單片機(jī)的RTOS,，具有免費(fèi)和可以修改的特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是由于做為一種專用的操作系統(tǒng)很難移植到其他平臺(tái)上,。

       1 AVRX系統(tǒng)的特點(diǎn)

       AVRX做為AVR專用RTOS有如下的特點(diǎn)：   

       ◆完全支持占先式,、優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)調(diào)度算法；   
       ◆16個(gè)優(yōu)先級(jí),，相同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用Round-robin調(diào)度算法輪流執(zhí)行,；   
       ◆信號(hào)量可以用于信號(hào)傳遞、同步和互斥信號(hào)量,，支持阻塞和非阻塞語法,；   
       ◆任務(wù)之間可以用消息隊(duì)列相互傳遞信息，接收和確認(rèn)消息可以用阻塞和非阻塞調(diào)用,；   
       ◆在中斷子程序中,，大部分非阻塞的中斷服務(wù)程序可以使用；   
       ◆支持單個(gè)定時(shí)器的時(shí)間隊(duì)列管理,，任何進(jìn)程都可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器,，并且任何一個(gè)任務(wù)都可以等待定時(shí)器時(shí)間到；   
       ◆支持單步調(diào)試運(yùn)行著的進(jìn)程,；   
       ◆程序空間小,，包含所有功能的版本占用1000字節(jié)；   
       ◆與定時(shí)器／計(jì)數(shù)器有關(guān)的一些事務(wù)可以用AVRX寫成任務(wù)級(jí)代碼,。

       1．1任務(wù)

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

       1．2信號(hào)量   

       信號(hào)量是SRAM指針,，它們有三種狀態(tài)：PEND,、WAITING和DONE。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被一個(gè)信號(hào)量阻塞時(shí),，它處于WAITING狀態(tài),，多個(gè)任務(wù)可以排隊(duì)等候一個(gè)信號(hào)量。在后一種情況下,，信號(hào)量可以看作互斥信號(hào)量,。提供的 API函數(shù)如下：

       AVRXSetSemaphore、AvrXIntsetSema-pore,、AvrXWaitSemaplaore,、AvrXTestSemapIlorc、AvrX-IntTestSemaphore和AvrxResetSemaphore,。
 

       1.3定時(shí)器   

       定時(shí)器控制塊(TCB)長(zhǎng)度為4(或6)個(gè)字節(jié),。它們管理一個(gè)16位計(jì)數(shù)值。定時(shí)器隊(duì)列管理器管理一個(gè)分類的定時(shí)器隊(duì)列,，每個(gè)都調(diào)整為所有計(jì)數(shù)器的和到其延時(shí)需要的值,。提供的API函數(shù)如下：AvrXStartTimer、AvrXTim-erHandler,、AvrXCancel Timer,、AvrXWaitTimer、AvrX-TestTimer和AvrXDelay,。

       1.4消息隊(duì)列   

 

       消息隊(duì)列用消息控制塊(MCB)做為隊(duì)列首地址,。任何進(jìn)程、中斷處理函數(shù)和多個(gè)進(jìn)程都可以等待消息,。MCB的長(zhǎng)度是2或4個(gè)字節(jié),，消息可以認(rèn)為是靈活性更大的信號(hào)量。提供的API函數(shù)如下：

       AvrXSendMessage,、AvrXIntSendMessage,、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMes-sage,、AvrXAckMessage,、AvrXTestMessage和AvrXWait-MessageAck。

       1.5單步運(yùn)行支持   

       通過重新匯編內(nèi)核AVRX,，可以允許和禁止單步運(yùn)行的支持,。單步運(yùn)行可以通過編譯內(nèi)核庫時(shí)定義下面的變量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。在能夠單步運(yùn)行以前,，進(jìn)程必須先暫停,。有兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是僅僅初始化進(jìn)程但不使能；二是用目標(biāo)進(jìn)程的ID調(diào)用AvrXSuspend,，一旦目標(biāo)進(jìn)程掛起,，調(diào)試SPI就能使用了,。提供的API函數(shù)有:AvrxStepNext和AvrXSin-gleStepNext。

       1．6系統(tǒng)對(duì)象   

       AVRX是圍繞系統(tǒng)對(duì)象的概念而構(gòu)建的,。系統(tǒng)對(duì)象包括一個(gè)鏈接和其后面的0個(gè)或者若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信號(hào)量,。進(jìn)程對(duì)象可以根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列和信號(hào)量排隊(duì)。計(jì)數(shù)器控制塊只能根據(jù)計(jì)數(shù)器隊(duì)列排隊(duì),。消息控制塊只能在消息隊(duì)列排隊(duì),。進(jìn)程根據(jù)嵌入對(duì)象的信號(hào)量等待這些對(duì)象。進(jìn)程堆棧中可用的SRAM是限制系統(tǒng)規(guī)模的主要因素,，每個(gè)進(jìn)程都需要至少10～35字節(jié)的空間來存儲(chǔ)進(jìn)程上下文,。提供的API函數(shù)如下：

       AvrXSetObjectSama-phore、AvrXIntObjectSamaphore,、AvrXResetObiectSama-phore,、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSama-phore和AvrXInfTestObjectSamaphore,。

       1.7系統(tǒng)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(jìn)入內(nèi)核將會(huì)把10～35字節(jié)壓進(jìn)堆棧(標(biāo)準(zhǔn)上下文和返回地址)，中斷處理可能壓進(jìn)去更多,。AVRX的API會(huì)臨時(shí)壓入2個(gè)以上的字節(jié),。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(nèi)是設(shè)計(jì)者的工作,。

       2 AVRX系統(tǒng)的應(yīng)用

       2．1 AVRX在不同型號(hào)AVR單片機(jī)上的移植

       下面以ATmegM6為例,，介紹移植工作。
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       (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(jī)上的移植特性,。

       (2)重新編譯AVRX內(nèi)核   

       為了將應(yīng)用程序成功編譯，需要重新編譯AVRX內(nèi)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：   

      

       ②重新修改AVRX源碼的serialio．S文件,，即根據(jù)不同的單片機(jī)修改串口部分的寄

存器定義,。需要增添如下代碼： 

     

       ③重新編譯內(nèi)核,。具體做法是復(fù)制一個(gè)“命令提示符”到AVRX目錄下,，運(yùn)行“命令提示符”，鍵入“makegcc”命令后運(yùn)行就完成了AVRX內(nèi)核的重新編譯,，會(huì)生成很多的．o文件和avrx．a(chǎn)文件,。這些文件在以后的應(yīng)用程序中會(huì)使用。   

       至此就完成了AVRX在ATmegal6單片機(jī)上的內(nèi)核移植,，接著就可以編寫應(yīng)用程序了,。

       2．2在AVRX上編寫應(yīng)用程序   

       這時(shí)候要用一個(gè)新的makefile文件,，同時(shí)自己的程序可以不和AVRX的內(nèi)核在一個(gè)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(diǎn)其實(shí)還是makefile文件的語法問題,。下面介紹應(yīng)用程序的makefile文件在實(shí)例中需要修改或增加的代碼：

    

       3  系統(tǒng)測(cè)試

       3.1  系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

       在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)能力上。系統(tǒng)通過中斷來響應(yīng)外部事件的發(fā)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(wù)去做，只是通過信號(hào)量或者消息機(jī)制來通知任務(wù)運(yùn)行,。Mega16的定時(shí)器2設(shè)為比較匹配輸出模式,，在匹配時(shí)間到了之后產(chǎn)生一定周期脈沖輸出,，并產(chǎn)生中斷,。設(shè)置定時(shí)器1為計(jì)數(shù)模式來計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖輸出。通過定時(shí)器2的比較匹配中斷服務(wù)子程序來發(fā)信號(hào)量通知任務(wù)運(yùn)行,，并在中斷子程序中不開中斷,，而在任務(wù)得到信號(hào)后開中斷,，以實(shí)現(xiàn)中斷處理與任務(wù)運(yùn)行的同步。任務(wù)中對(duì)一個(gè)全局變量計(jì)數(shù),，以記錄任務(wù)執(zhí)行的次數(shù),。運(yùn)行一段時(shí)間后，在設(shè)置的匹配時(shí)間里,，任務(wù)的運(yùn)行次數(shù)和定時(shí)器1的計(jì)數(shù)一樣,，則系統(tǒng)在這段時(shí)間里是能完全響應(yīng)外部事件的。當(dāng)定時(shí)器2的比較匹配時(shí)間設(shè)為大于23 μs時(shí),，2個(gè)計(jì)數(shù)是相等的,；當(dāng)小于23 μs時(shí)，定時(shí)器1計(jì)數(shù)值大于任務(wù)計(jì)數(shù)值,，說明任務(wù)沒有完全得到響應(yīng),。這說明中斷的進(jìn)入和返回即系統(tǒng)對(duì)外部時(shí)間的響應(yīng)和處理時(shí)間為23 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他操作系統(tǒng)在AVR單片機(jī)上移植后的響應(yīng)時(shí)間,。

       3．2應(yīng)用例程測(cè)試   

       這里只對(duì)源文件中的幾個(gè)例程先進(jìn)行簡(jiǎn)單的編譯,，然后去掉不必要的代碼，加入自己想測(cè)試的一些代碼,，進(jìn)行了定時(shí)器控制模塊,、信號(hào)量和消息隊(duì)列以其簡(jiǎn)單組合的測(cè)試，均在ATmega16上達(dá)到了預(yù)期的效果,。

       4  心得體會(huì)

 &nbs p;     ①AVRX的源碼都是用匯編語言編寫的,，相對(duì)來講代碼效率很高,，但是由于沒有詳細(xì)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(jìn)行修改,，再加上自己的代碼逐漸熟練應(yīng)用。   
       ②AVRX需要分配的堆棧為35個(gè)字節(jié)加上任務(wù)代碼需要的額外堆棧,，具體的大小取決于每個(gè)進(jìn)程用的本地變量個(gè)數(shù),。比較好的確定分配給任務(wù)堆棧大小的方法是：分配很大的堆棧(如70字節(jié))，運(yùn)行一段應(yīng)用程序后看堆棧到多深(因?yàn)镚CC啟動(dòng)時(shí)把所有內(nèi)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(jì)堆棧的頂端寫入幾個(gè)字節(jié)的0xFFFFF去驗(yàn)證到底達(dá)到了多少字節(jié),，然后分配給比測(cè)試結(jié)果多兩個(gè)以上的字節(jié)給這個(gè)任務(wù)。   

       ③啟動(dòng)的最后一個(gè)指令必須跳轉(zhuǎn)到Epilog(),。

       5  結(jié)論

      AVRX是一個(gè)不錯(cuò)的RTOS,，最顯著的特點(diǎn)就是內(nèi)核小，速度快,，編譯后大概只需500～700字節(jié),，且基本的調(diào)度功能一個(gè)也不少。由于其代碼公開,，結(jié)合不同型號(hào)AVR單片機(jī)的特性,，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的裁減和擴(kuò)展，使之能達(dá)到更好的效果,。本文為AVR嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了借鑒,。