疯狂单片机

第一篇：函数的运行

     在一般的单片机系统中，是以前后台的方式(大循环+中断)来处理数据和作出反应的。

     例子如下:
   
     makefile的设定:运行WinAvr中的Mfile，设定如下

     MCU Type: mega128

     Optimization level: s

     Debug format :AVR-COFF

     C/C++ source file: 选译要编译的C文件

#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <util/delay.h>

void fun1(void)
{
   unsigned char i=0;
   while(1)
   {
    i++;

    PORTC=0x01<<(i%8);

    _delay_ms(200);
   }
}

int main(void)
{

DDRC=0xFF;
   fun1();
}

    首先，提出一个问题：如果要调用一个函数，真是只能以上面的方式进行吗？
     相信学习过C语言的各位会回答，No!我们还有一种方式，就是“用函数指针变量调用函数”，如果大家都和我一样，当初的教科书是谭浩强先生的《C程序设计》的话，请找回书的第9.5节。
    
     例子：用函数指针变量调用函数


#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <util/delay.h>
void fun1(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
    _delay_ms(200);
}
}

void (*pfun)();   //指向函数的指针

int main(void)
{
DDRC=0xFF;
   pfun=fun1;     //
   (*pfun)();     //运行指针所指向的函数
}

      第二种，是“把指向函数的指针变量作函数参数”
     
#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <util/delay.h>
void fun1(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
    _delay_ms(200);
}
}
void RunFun(void (*pfun)())   //获得了要传递的函数的地址
{
   (*pfun)();                  //在RunFun中，运行指针所指向的函数
}

int main(void)
{
    DDRC=0xFF;
    RunFun(fun1);             //将函数的指针作为变量传递     
}

     看到上面的两种方式，很多人可能会说，“这的确不错”，但是这样与我们想要的RTOS，有什么关系呢？各位请细心向下看。

     以下是GCC对上面的代码的编译的情况：
    
     对main()中的RunFun(fun1); 的编译如下
   ldi r24,lo8(pm(fun1))
   ldi r25,hi8(pm(fun1))
   rcall RunFun
    
对void RunFun(void (*pfun)())的编译如下
                 /*void RunFun(void (*pfun)())*/
                /*(*pfun)();*/
.LM6:
   movw r30,r24
   icall
   ret

     在调用void RunFun(void (*pfun)())的时候，的确可以把fun1的地址通过r24和r25传递给RunFun()。但是，RTOS如何才能有效地利用函数的地址呢？

第二篇： 人工堆栈

在单片机的指令集中，一类指令是专门与堆栈和PC指针打道的，它们是
     rcall    相对调用子程序指令
     icall    间接调用子程序指令
     ret      子程序返回指令
     reti     中断返回指令   

     对于ret和reti，它们都可以将堆栈栈顶的两个字节被弹出来送入程序计数器PC中，一般用来从子程序或中断中退出。其中reti还可以在退出中断时，重开全局中断使能。
     有了这个基础，就可以建立我们的人工堆栈了。
     例：
#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <util/delay.h>
void fun1(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
    _delay_ms(200);
}
}

unsigned char Stack[100]; //建立一个100字节的人工堆栈

void RunFunInNewStack(void (*pfun)(),unsigned char *pStack)
{

//原文函数地址的高低字节入栈次序是相反的，虽然编译没问题，但实际运行出错。

   *pStack--=(unsigned int)pfun;         //将函数的地址低位压入堆栈，

*pStack--=(unsigned int)pfun>>8;     //将函数的地址高位压入堆栈，

   SP=pStack;                             //将堆栈指针指向人工堆栈的栈顶

   __asm__ __volatile__("RET");     //返回并开中断,开始运行fun1()

}

int main(void)
{
    DDRC=0xFF;
   RunFunInNewStack(fun1,&Stack[99]);
}
      RunFunInNewStack(),将指向函数的指针的值保存到一个unsigned   char的数组Stack中，作为人工堆栈。并且将栈顶的数值传递组堆栈指针SP,因此当用"ret"返回时，从SP中恢复到PC中的值，就变为了指向fun1()的地址，开始运行fun1().

     上面例子中在RunFunInNewStack()的最后一句嵌入了汇编代码 "ret",实际上是可以去除的。因为在RunFunInNewStack()返回时，编译器已经会加上"ret"。我特意写出来，是为了让大家看到用"ret"作为返回后运行fun1()的过程。

第三篇：GCC中对寄存器的分配与使用

在很多用于AVR的RTOS中，都会有任务调度时，插入以下的语句：
    
     入栈：
     __asm__ __volatile__("PUSH R0   \n\t");
     __asm__ __volatile__("PUSH R1   \n\t");
     ......
     __asm__ __volatile__("PUSH R31 \n\t");

     出栈
     __asm__ __volatile__("POP   R31 \n\t");
     ......
     __asm__ __volatile__("POP   R1   \n\t");
     __asm__ __volatile__("POP   R0   \n\t");

     通常大家都会认为，在任务调度开始时，当然要将所有的通用寄存器都保存，并且还应该保存程序状态寄存器SREG。然后再根据相反的次序，将新任务的寄存器的内容恢复。
    
     但是，事实真的是这样吗？如果大家看过陈明计先生写的small rots51,就会发现，它所保存的通用寄存器不过是4组通用寄存器中的1组。
    
     在Win AVR中的帮助文件 avr-libc Manual中的Related Pages中的Frequently Asked Questions,其实有一个问题是"What registers are used by the C compiler?"   回答了编译器所需要占用的寄存器。一般情况下，编译器会先用到以下寄存器
     1 Call-used registers (r18-r27, r30-r31): 调用函数时作为参数传递，也就是用得最多的寄存器。

     2 Call-saved registers (r2-r17, r28-r29): 调用函数时作为结果传递,当中的r28和r29可能会被作为指向堆栈上的变量的指针。
    
     3 Fixed registers (r0, r1): 固定作用。r0用于存放临时数据，r1用于存放0。
    
    
     还有另一个问题是"How to permanently bind a variable to a register?",是将变量绑定到通用寄存器的方法。而且我发现，如果将某个寄存器定义为变量，编译器就会不将该寄存器分配作其它用途。这对RTOS是很重要的。

     在"Inline Asm"中的"C Names Used in Assembler Code"明确表示,如果将太多的通用寄存器定义为变量，刚在编译的过程中，被定义的变量依然可能被编译器占用。

     大家可以比较以下两个例子，看看编译器产生的代码：(在*.lst文件中)

第一个例子：没有定义通用寄存器为变量

#include <avr/io.h>

unsigned char add(unsigned char b,unsigned char c,unsigned char d)
{
    return b+c*d;
}

int main(void)
{
   unsigned char a=0;
   while(1)
   {
     a++;
     PORTB=add(a,a,a);
   }
}

    在本例中，"add(a,a,a);"被编译如下:
    mov r20,r28
    mov r22,r28
    mov r24,r28
    rcall add

第二个例子：定义通用寄存器为变量

#include <avr/io.h>

unsigned char add(unsigned char b,unsigned char c,unsigned char d)
{
    return b+c*d;
}


register unsigned char a asm("r20");   //将r20定义为 变量a

int main(void)
{

     while(1)
     {
       a++;
         PORTB=add(a,a,a);
     }
}

     在本例中，"add(a,a,a);"被编译如下:  
     mov r22,r20
     mov r24,r20
     rcall add

     当然，在上面两个例子中，有部份代码被编译器优化了。
    
     通过反复测试，发现编译器一般使用如下寄存器:
     第1类寄存器，第2类寄存器的r28,r29,第3类寄存器

     如在中断函数中有调用基它函数，刚会在进入中断后，固定地将第1类寄存器和第3类寄存器入栈，在退出中断又将它们出栈。

第四篇：只有延时服务的协作式的内核

    Cooperative Multitasking

    前后台系统，协作式内核系统，与占先式内核系统，有什么不同呢？

    记得在21IC上看过这样的比喻,“你(小工)在用厕所，经理在外面排第一，老板在外面排第二。如果是前后台，不管是谁，都必须按排队的次序使用厕所；如果是协作式，那么可以等你用完厕所，老板就要比经理先进入；如果是占先式，只要有更高级的人在外面等，那么厕所里无论是谁，都要第一时间让出来，让最高级别的人先用。”


#include <avr/io.h>
#include <avr/Interrupt.h>
#include <util/delay.h>
unsigned char Stack[200]; //建立一个200字节的人工堆栈
unsigned char OSMapTbl[9]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x00};//建一个常数表

register unsigned char OSRdyTbl          asm("r2");    //任务运行就绪表
register unsigned char OSTaskRunningPrio asm("r3");    //正在运行的任务

#define OS_TASKS 3                    //设定运行任务的数量
struct TaskCtrBlock           //任务控制块
{
unsigned int OSTaskStackTop; //保存任务的堆栈顶
unsigned int OSWaitTick;      //任务延时时钟
} TCB[OS_TASKS+1];

//防止被编译器占用
register unsigned char tempR4 asm("r4");
register unsigned char tempR5 asm("r5");
register unsigned char tempR6 asm("r6");
register unsigned char tempR7 asm("r7");
register unsigned char tempR8 asm("r8");
register unsigned char tempR9 asm("r9");
register unsigned char tempR10 asm("r10");
register unsigned char tempR11 asm("r11");
register unsigned char tempR12 asm("r12");
register unsigned char tempR13 asm("r13");
register unsigned char tempR14 asm("r14");
register unsigned char tempR15 asm("r15");
register unsigned char tempR16 asm("r16");
register unsigned char tempR17 asm("r17");

//建立任务
void OSTaskCreate(void (*Task)(void),unsigned char *Stack,unsigned char TaskID)
{
unsigned char i;
*Stack--=(unsigned int)Task;         //将任务的地址低位压入堆栈，
*Stack--=(unsigned int)Task>>8;    //将任务的地址高位压入堆栈，
      
*Stack--=0x00;                     //R1 __zero_reg__            
*Stack--=0x00;                     //R0 __tmp_reg__
*Stack--=0x80;                                        //SREG 在任务中，开启全局中断        
for(i=0;i<14;i++)    //在 avr-libc 中的 FAQ中的 What registers are used by the C compiler?
    *Stack--=i;                    //描述了寄存器的作用    
    TCB[TaskID].OSTaskStackTop=(unsigned int)Stack;    //将人工堆栈的栈顶，保存到堆栈的数组中
OSRdyTbl|=OSMapTbl[TaskID];      //将任务在就绪表中就绪
}

//开始任务调度,从最低优先级的任务的开始
void OSStartTask(void)        
{
OSTaskRunningPrio=OS_TASKS;
SP=TCB[OS_TASKS].OSTaskStackTop+17;
__asm__ __volatile__(    "reti"      );
}

//进行任务调度
void OSSched(void)
{
   // 根据中断时保存寄存器的次序入栈，模拟一次中断后，入栈的情况  
__asm__ __volatile__("PUSH __zero_reg__         "); //R1
__asm__ __volatile__("PUSH __tmp_reg__          "); //R0
__asm__ __volatile__("IN   __tmp_reg__,__SREG__ "); //保存状态寄存器SREG
__asm__ __volatile__("PUSH __tmp_reg__          ");
__asm__ __volatile__("CLR __zero_reg__         "); //R0重新清零
__asm__ __volatile__("PUSH R18                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R19                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R20                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R21                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R22                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R23                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R24                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R25                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R26                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R27                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R30                  ");    
__asm__ __volatile__("PUSH R31                  ");
__asm__ __volatile__("PUSH R28                  "); //R28与R29用于建立在堆栈上的指针
__asm__ __volatile__("PUSH R29                  "); //入栈完成
    
TCB[OSTaskRunningPrio].OSTaskStackTop=SP;           //将正在运行的任务的堆栈顶保存
    
  
unsigned char OSNextTaskID;                             //在现有堆栈上开设新的空间
for (OSNextTaskID = 0;                                  //进行任务调度
    OSNextTaskID < OS_TASKS && !(OSRdyTbl & OSMapTbl[OSNextTaskID]);
    OSNextTaskID++);
    OSTaskRunningPrio = OSNextTaskID ;

cli(); //保护堆栈转换
SP=TCB[OSTaskRunningPrio].OSTaskStackTop;
sei();
    
    //根据中断时的出栈次序    
__asm__ __volatile__("POP R29                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R28                  ");        
__asm__ __volatile__("POP R31                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R30                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R27                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R26                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R25                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R24                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R23                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R22                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R21                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R20                  ");    
__asm__ __volatile__("POP R19                  ");
__asm__ __volatile__("POP R18                  ");
__asm__ __volatile__("POP __tmp_reg__          ");      //SERG 出栈并恢复
__asm__ __volatile__("OUT __SREG__,__tmp_reg__ ");      //
__asm__ __volatile__("POP __tmp_reg__          ");      //R0 出栈
__asm__ __volatile__("POP __zero_reg__         ");      //R1 出栈
//中断时出栈完成
}

void OSTimeDly(unsigned int ticks)
{
if(ticks)                             //当延时有效
{
    OSRdyTbl &=~OSMapTbl[OSTaskRunningPrio];         
    TCB[OSTaskRunningPrio].OSWaitTick=ticks;
    OSSched();                          //从新调度
}
}

void TCN0Init(void)    // 计时器0
{
TCCR0 = 0;
TCCR0 |= (1<<CS02); // 256预分频
TIMSK |= (1<<TOIE0); // T0溢出中断允许                  
TCNT0 = 100;         // 置计数起始值
}

SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)
{
unsigned char i;
for(i=0;i<OS_TASKS;i++)       //任务时钟
{
    if(TCB[i].OSWaitTick)
    {
      TCB[i].OSWaitTick--;
      if(TCB[i].OSWaitTick==0)     //当任务时钟到时,必须是由定时器减时的才行
      {  
        OSRdyTbl |= OSMapTbl[i];     //使任务在就绪表中置位   
      }
    }
}
TCNT0=100;
}

void Task0(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTB=0x01<<(i%8);
    OSTimeDly(50);
}
}

void Task1(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTC=0x01<<(i%8);
    OSTimeDly(100);
}
}

void Task2(void)
{
unsigned char i=0;
while(1)
{
    i++;
    PORTD=0x01<<(i%8);
    OSTimeDly(200);
}
}

void TaskScheduler(void)
{
while(1)
{        
     OSSched();      //反复进行调度
}
}

int main(void)
{
DDRB=0xFF;
DDRC=0xFF;
DDRD=0xFF;

TCN0Init();
OSRdyTbl=0;
OSTaskRunningPrio=0;
OSTaskCreate(Task0,&Stack[49],0);
OSTaskCreate(Task1,&Stack[99],1);
OSTaskCreate(Task2,&Stack[149],2);
OSTaskCreate(TaskScheduler,&Stack[199],OS_TASKS);
OSStartTask();
}
    在上面的例子中，一切变得很简单，三个正在运行的主任务，都通过延时服务，主动放弃对CPU的控制权。
    在时间中断中，对各个任务的的延时进行计时，如果某个任务的延时结束，将任务重新在就绪表中置位。
    最低级的系统任务TaskScheduler()，在三个主任务在放弃对CPU的控制权后开始不断地进行调度。如果某个任务在就绪表中置位，通过调度，进入最高级别的任务中继续运行。