用協(xié)處理器提高μC／OS-II的實時性回到頂部

引 言

FREESCALE公司的16位HCS12X(簡稱“S12X”)系列單片機引入了一個協(xié)處理器，名為“XGATE”。與普通意義上的浮點協(xié)處理器不同，這個協(xié)處理器主要用來處理中斷。如果采用協(xié)處理器來處理μC/OS-II時鐘節(jié)拍的中斷，那么主CPU無需頻繁加載中斷服務子程序，從而保證μC/OS-II內核的所有函數(shù)執(zhí)行時間都為固定值。這樣，μC/OS-II的實時性就得到了保證，還能以提高時鐘節(jié)拍中斷頻率的方法提高應用系統(tǒng)定時的精度。

μC/OS-II最多支持63個任務，并支持信號量、郵箱、消息隊列等多種進程間通信機制;同時，用戶可以根據(jù)需求對內核中的功能模塊進行裁剪。將μC/OS-II應用到嵌入式系統(tǒng)中，對于提高產品的質量、縮短開發(fā)周期和降低成本都有重要的意義。

為了保證系統(tǒng)的實時性，μC/OS-II采用查表策略，使優(yōu)先級最高的任務一旦進入就緒態(tài)就立刻可以運行。這種查表算法與應用系統(tǒng)的任務數(shù)目無關，執(zhí)行時間是固定值，從而保證了系統(tǒng)的硬實時性。μC/OS-II實時內核中唯一一個執(zhí)行時間受任務數(shù)目影響的函數(shù)是時鐘節(jié)拍，時鐘節(jié)拍的中斷服務子程序需要遍歷所有使用延遲函數(shù)的任務，故執(zhí)行時間與任務數(shù)目有關，為非固定值。此外，時鐘節(jié)拍的頻率也不能太高，否則會因為CPU頻繁加載中斷服務子程序，導致加重了CPU負荷，影響μC/OS-II的實時性。

1 單片機中的協(xié)處理器

HCS12X系列單片機中的XGATE協(xié)處理器是精簡指令集(RISC)結構的處理器，它的工作時鐘頻率是S12X主CPU的2倍。主CPU初始化系統(tǒng)時可決定使用或禁用XGATE。若使用，則XGATE在初始化后就獨立地運行，并通過雙端口RAM與CPU交換數(shù)據(jù)，必要時向主CPU發(fā)中斷請求。

XGATE處理完所有的中斷后進入休眠態(tài)，停止運行，直到下一次中斷發(fā)生。XGATE比較適合響應的中斷主要是加載頻率高的中斷，或不帶通信緩沖區(qū)的I/O中斷，例如SCI發(fā)送或接收中斷、PWM輸出中斷等。而對于本身帶發(fā)送、接收緩沖區(qū)的中斷(如CAN中斷、USB中斷等)，采用協(xié)處理器處理中斷優(yōu)勢不明顯。

μC/OS-II的時鐘節(jié)拍中斷是一個頻繁發(fā)生的中斷，所以很適合采用XGATE來響應。以下重點介紹如何用XGATE協(xié)處理器響應μC/0S—II的時鐘節(jié)拍中斷。

2 用XGATE實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍

μC/0S-11的時鐘節(jié)拍中斷可以采用單片機的實時中斷(Real-TIme Interrupt，RTI)來實現(xiàn)。當然也可以使用定時器中的計數(shù)器來產生時鐘節(jié)拍，原理相同，方法近似。使用XGATE來響應RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍時，XGATE協(xié)處理器和主CPU的分工如表1所列。

XGATE負責響應RTI中斷，實現(xiàn)時鐘節(jié)拍，并完成任務延時計數(shù);在任務延時完成后，通知CPU進行任務調度。另外，XGATE還用來響應其他中斷，在需要任務調度時通知CPU。主CPU則只負責運行任務(包括系統(tǒng)任務)和任務調度，只有在需要任務調度時才會加載中斷服務子程序。使用XGATE來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍的具體設置步驟如下所述。

2.1 將RTI中斷的控制權交給XGATE

為了將RTI中斷交由XGATE來處理，系統(tǒng)初始化時需要設置S12X單片機中RTI中斷對應的中斷控制寄存器。中斷控制寄存器組成如下：

在S12X單片機中，每一個I/O中斷都有一個中斷控制寄存器與之對應。中斷控制寄存器控制相應的中斷是由S12X CPU響應還是由XGATE來響應，以及該中斷的優(yōu)先級。

中斷控制寄存器中，RQST位為1時，中斷由XGATE來響應;為0時，中斷由S12X CPU響應。為了使用XGATE來響應RTI中斷，需要將RTI中斷對應的中斷控制寄存器的RQST位置1。PRIOLVL[2：0]保存的是對應中斷的優(yōu)先級，值越大，對應中斷的優(yōu)先級越高。如果這3位均為0，那么對應中斷會被禁用。

設置中斷控制寄存器可以調用編譯器提供的一個函數(shù)ROUTE_INTERRUPT。這個函數(shù)需要的參數(shù)是對應中斷的中斷向量相對中斷向量表基址(0xFF00)的偏移量，以及中斷控制寄存器的值。設置RTI中斷控制寄存器的代碼如下：

RUUTE_INTERRUPT (0xF0，0x81);

其中，0xF0是RTI中斷向量相對中斷向量表基址的偏移量，0x81是要設置的中斷控制寄存器的值。

2.2 XGATE與S12X CPU的數(shù)據(jù)共享

XGATE實現(xiàn)μC/OS-II的時鐘節(jié)拍和S12X CPU實現(xiàn)任務調度，都需要訪問與系統(tǒng)的任務控制塊鏈表相關的變量，因此這些變量需要聲明為XGATE和S12X CPU的共享變量。共享變量的聲明需要加上“volatile”類型聲明，并使用“#pragma”預處理命令將其放在共享內存中。

S12 CPU的程序中聲明如下:

在XGATE的程序中，需要使用extern聲明這些變量，具體語句如下：

2.3 XGATE與S12X CPU的指針變量變換

因為XGATE的內存空間編址與S12X CPU的內存空間編址不一樣，所以在指針變量共享時會存在問題。CPU的內存空間和XGATE的內存空間的差別如圖1所示。

從圖1中可以看出，在S12X CPU的尋址空間中，0x1000～0x3FFF為RAM空間;而對XGATE來說，RAM空間的地址范圍為Ox8000～0xFFFF。如果XGATE的程序直接使用CPU的指針變量，則會導致XGATE訪問地址空間0x1000～0x3FFF，該區(qū)域對于XGATE是Flash，從而出錯。為了正確地共享指針變量，在XGATE中使用S12x CPU的指針變量時，需要對指針變量進行變換。S12X系列中不同單片機成員的地址分配可能有所不同。以MC9S12XDT512單片機為例，其內部共有8 KB非分頁RAM，可全都設為S12X CPU和