基于AVR单片机的嵌入式系统的应用分析

引言

　　随着技术的发展，嵌入式系统的设计及应用对人们的生活产生了很大的影响，并将逐渐改变人们未来的生活方式，在特定的操作系统上开发应用程序，可以使开发人员忽略掉很多底层硬件细节，使得应用程序调试更方便、易于维护、开发周期缩短并且降低开发成本，因而嵌入式操作系统深得开发人员的青睐。

　　AVR微处理器是Atmel公司开发的8位嵌入式RISC处理器，它具有高性能、高保密性、低功耗、非易失性等优点，而且程序存储器和数据存储器可独立编址，并具有独立访问的哈佛结构。AVR单片机内核有丰富的指令集，通过32个通用寄存器直接与逻辑运算单元相连接，允许在一个周期内一条单一指令访问两个独立的寄存器，这样的结构使代码的执行效率比传统的复杂指令集微处理器快了将近10倍。

　　AVRX是由1barello编写的源码公开的嵌入式操作系统，它专门针对AVR系列单片机的RTOS，具有免费和可以修改的特点，它的缺点是由于做为一种专用的操作系统很难移植到其他平台上。

1 AVRX 系统的特点

　　AVRX做为AVR专用RTOS有如下的特点：

◆ 完全支持占先式、优先级驱动的任务调度算法；

◆ 16个优先级，相同的优先级的任务采用Round robin调度算法轮流执行；

◆ 信号量可以用于信号传递、同步和互斥信号量，支持阻塞和非阻塞语法；

◆ 任务之间可以用消息队列相互传递信息，接收和确认消息可以用阻塞和非阻塞调用；

◆ 在中断子程序中，大部分非阻塞的中断服务程序可以使用；

◆ 支持单个定时器的时间队列管理，任何进程都可以设置一个定时器，并且任何一个任务都可以等待定时器时间到；

◆ 支持单步调式运行着的进程；

◆ 程序空间小，包含所有功能的版本占用1000字节；

◆ 与定时器/计算器有关的一些事务可以用AVRX写成任务级代码。

1.1 任务

　　AVRX2.6为了支持C语言，保存了所有的32个寄存器，最小的上下文是32个寄存器、SREG和PC，总共35个字节。AvrXInitTask（）函数给所有的寄存器初始化为0x00；只有进程上下文保存在任务堆栈中，所有其他的使用（包括内核和中断）保存在内核堆栈。这样降低了第一个中断的上下文切换和进入内核API的SRAM消耗。随后的中断（如果允许中断嵌套）嵌入内核堆栈，API不进行上下文切换。

1.2 信号量

　　信号量是SRAM指针，它们有三中状态：PEND、WAITING和DONE。当一个进程被一个信号量阻塞时，它处于WAITING状态，多个任务可以排队等候一个信号量。在后一种情况下，信号量可以看作互斥信号量。提供的API函数如下：AvrXSetSemaphore、AvrXIntSetSemaphore、AvrXWaitSemaphore、AvrXtestSemaphore、AvrXIntTestSemaphore和AvrXResetSemaphore。

1.3 定时器

　　定时器控制块（TCB）长度为4（或6）个字节。它们管理一个16位计数值。定时器队列管理器管理一个分类的定时器队列，每个都调整为所有计数器的和到其延时需要的值。提供的API函数如下：AvrXStartTimer、AvrXTimerHandler、AvrXCancelTimer、AvrXWaitTimer、AvrXTestTimer和AvrXDelay。

1.4 消息队列

　　消息队列用消息控制块（MCB）做为队列首地址。任何进程、中断处理函数和多个进程都可以等待消息。MCB的长度是2或4个字节。消息可以认为是灵活性更大的信号量。提供的API函数如下：AvrXSendMessage、AvrXIntSendMessage、AvrXRecvMessage、AvrXWaitMessage、AvrXAckMessage、AvrXTestMessage和AvrXWaitMessageAck。

1.5 单步运行支持

　　通过重新汇编内核AVRX，可以允许和禁止单步运行的支持。单步运行可以通过编译内核库时定义下面的变量：#define SIGNALSTEPSUPPORT。

　　在能够单步运行以前，进程必须先暂停。有两种方法实现：一是仅仅初始化进程但不使能；二是用目标进程的ID调用AvrXSuspend，一旦目标进程挂起，调试SPI就能使用了，提供的API函数有：AvrXStepNext和AvrXSingleStepNext。

1.6 系统对象

　　AVRX是围绕系统对象的概念而构建的，系统对象包括一个链接和其后面的0个或者若干个字节的数据信号量。进程对象可以根据运行队列和信号量排队。计数器控制块只能根据计数器队列排队。消息控制块只能在消息队列排队。进程根据嵌入对象的信号量等待这些对象。

　　进程堆栈中可用的SRAM是限制系统规模的主要因素，每个进程都需要至少10～35字节的空间来存储进程上下文。提供的API函数如下：AvrXSetObjectSamaphore、AvrXIntObjectSamaphore、AvrXResetObjectSamaphore、AvrXWaitObjectSamaphore、AvrXTestObjectSamaphore和AvrXIntTestObjectSamaphore。

1.7 系统堆栈

　　AVRX需要足够大的堆栈来处理所有可能的中断嵌套，每次进入内核将会把10～35字节压进堆栈（标准上下文和返回地址），中断处理可能压进去更多。AVRX的API会临时压入2个以上的字节。GCC或者汇编代码定义于SRAM的顶部，保证AVRX的堆栈在有效SRAM空间之内是设计者的工作。

2 AVRX系统的应用

2.1 AVRX在不同型号AVR单片机上的移植

　　下面以ATmega16为例，介绍移植工作。

（1）编译器的选择

　　由于AVRX的编者是在GNU推出的AVR－GCC编译器下编写的，所以选用AVR－GCC编译器可以大大提高AVRX在不同AVR单片机上的移植特性。

（2）重新编译AVRX内核

　　为了将应用程序成功编译，需要重新编译AVRX内核，重新编译包括下述步骤。

　　①重新修改AVRX源码的Makefile文件，需要修改的几处如下：