Операционная система для микроконтроллеров с ядром AVR.

AvrOS v.1.0

1. Назначение.

Операционная система AvrOS v.1.0 для микроконтроллеров с ядром AVR предназначена для выполнения следующих функций:

• Обслуживание задействованных встроенных и внешних устройств микроконтроллера.

• Запуск задач на выполнение по некоторому событию. (Внешнее прерывание, прерывание от таймера и т.д.).

• Поддержка протоколов связи различных уровней (MicroLAN, RS232 и т.п.).

• Обслуживание задач реального времени.

2. Общая структура системы.

Операционная система условно подразделяется на несколько модулей (уровней):

• Уровень аппаратного обеспечения (hardware level, HL). Файлы, относящиеся к этому уровню хранятся в каталоге ../source/hl. Данный уровень обеспечивает инициализацию и взаимодействие ПО со встроенными и внешними устройствами микроконтроллера. Все остальные уровни общаются с аппаратным обеспечением только через уровень HL (за исключением встроенных портов микроконтроллера, с ними все уровни могут общаться непосредственно).

• Уровень задач реального времени (real-time level, RTL). Файлы, относящиеся к этому уровню хранятся в каталоге ../source/rtl. Данный уровень обеспечивает запуск задач реального времени (по событию от таймера, внешнего прерывания и т.п.). Задачи, запущенные в данном уровне наиболее приоритетные. Они не могут быть прерваны другими задачами. Исключение – когда задача уровня RTL запускает задачи более высоких уровней как процессы. Процессы (в отличии от задач RTL могут быть прерваны другими процессами и задачами, но имеют защиту от повторного вхождения). Программист так же может разрешить прерывания в задаче уровня RTL, но в этом случае он должен предусмотреть сам защиту от повторного вхождения в эту задачу. (см. описание макроса settask(name)).

• Уровень операционной системы (operating-system level, OSL). Файлы, относящиеся к этому уровню хранятся в каталоге ../source/osl. Данный уровень обеспечивает запуск процессов не-реального времени. Но при этом запуск может быть осуществлен по событию с уровня RTL , например по таймеру. Например, уровень OSL обеспечивает поддержку высокоуровневых протоколов (например, уровень RTL обеспечивает прием-передачу пакетов по линии связи RS232, а уровень OSL обеспечивает разбор принятых пакетов и формирование ответа). Так же этот уровень содержит различные вызовы, не имеющие отношения к реального времени, например – получение кода нажатой клавиши, библиотеки вывода чисел и символов на индикатор, преобразования форматов.

• Уровень программ пользователя (users program level, UPL). Файлы, относящиеся к этому уровню хранятся в каталоге ../source/upl. Этот уровень по приоритетам выполнения процессов абсолютно равноправен с уровнем OSL , но отделен от него, поскольку в каталоге ../source/upl находится программа пользователя. Пользователь так же может запускать свои задачи по тем же событиям и с теми же приоритетами, как и на уровне OSL. На уровне программ пользователя находится точка входа в программу void main().

• Каталог ../source/system стоит особняком. В нем хранятся общесистемные настройки и макросы. (Например тактовая частота кварцевого генератора контроллера, параметры использования АЦП, таймеров и т.п.). Для каждого ресурса системы, за исключением памяти, должен быть определен разрешающий символ, иначе ресурс и все с ним связанное (макросы, процедуры и т.п.) просто не включаются в состав программы. Например, чтобы использовать таймер 0, достаточно в файле res_timers.h написать строчку: #define TIMER0_ENABLED. Этого достаточно, чтобы таймер 0 инициализировал ся и запустился. В этом же файле задаются остальные параметры таймера 0 (частота прерываний, делитель и т.п.). Для каждого ресурса (или нескольких сходных ресурсов) выделен свой файл с именем вида res_<resname>.h, где resname – название ресурса. Ресурсом может быть не только аппаратная, но и программная часть системы. Например, файл res_mlan.h содержит все настройки протокола MicroLAN, в том числе и разрешающий символ.

  Приведем назначение файлов описания ресурсов:

• res_led.h - описание настроек модуля поддержки светодиодных индикаторов, соединенного с контроллером однопроводным интерфейсом (аналогичному MicroLAN).

• res_pwm.h - описание настроек модуля поддержки ШИМ (на таймере1)

• res_uart.h - описание настроек модуля поддержки UART.

• res_key.h - описание настроек модуля поддержки клавиатуры.

• res_adc.h - описание настроек модуля поддержки АЦП.

• res_extio.h - описание настроек модуля поддержки внешних портов ввода- вывода (1554АП5, 1554ИР23).

• res_ints.h - описание настроек модуля поддержки внешних прерываний.

• res_mlan.h - описание настроек модуля поддержки протокола обмена по однопроводному интерфейсу.

• res_timers.h - описание настроек модуля поддержки встроенных таймеров (реализована пока для таймера 0, используемого в качестве системного таймера).

• sysdef.h - описание всех модулей, а так же некоторых параметров системы (тактовой частоты кварца, например).

3. Добавление нового модуля в систему.

   Программист-пользователь AVROS может добавлять в нее новые модули. Рассмотрим, как это делается.

   Предположим, нам надо ввести поддержку ШИМ. Это несложно.

   Шаг1. Принимаем решение на каком уровне будет размещен модуль. Если модуль напрямую взаимодействует с аппаратурой – то он должен располагаться в каталоге hl (уровень аппаратного обеспечения). В нашем случае это так и есть.

   Шаг2. Пишем драйвер, который сохраним в файле hl/userpwm.c. Общая структура файла hl/userpwm.c следующая:

#ifdef USERPWM_ENABLED

// код драйвера

void userpwm_init(){/*код инициализации*/}

....

#endif /* USERPWM_ENABLED */

Шаг2. Пишем заголовочный файл hl/userpwm.h. Этот файл – обязателен. В нем должен быть определен макрос userpwm_init_mac(). Это лучше делать следующим образом.

#ifdef USERPWM_ENABLED

#define userpwm_init_mac() userpwm_init()

// Все определения для драйвера, которые постоянны

...

#else

#define userpwm_init_mac()

#endif /* USERPWM_ENABLED */

Макрос userpwm_init_mac() испоьлзуется для автоматического вызова процедуры инициализации драйвера. Если даже драйвер не используется или процедура инициализации не нужна, то этот макрос все равно должен быть определен, хоть он и пустой. Общее правило определения имени макроса начальной инициализации

#define <имя_модуля>_init_mac() <Имя процедуры инициализации>(), где

<имя_модуля> - имя *.h файла, который описывает модуль. (В нашем случае userpwm, т.к. файл называется userpwm.h).

<Имя процедуры инициализации> - имя процедуры инициализации, описанной в файле с кодом драйвера (В нашем случае это файл userpwm.c, процедура void userpwm_init()).

Шаг 3. Создаем файл system/res_userpwm.h. В этом файле обязательно в начале должна быть строчка #define USERPWM_ENABLED. Если эту строчку закомментировать, то все, связанное с нашим драйвером не будет включено в код программы. Таким образом, чтобы добавить или удалить модуль из программы, достаточно раскомментировать или закомментировать всего одну строчку в файле res_<имя модуля>.h в каталоге system.

Общая структура файла system/res_userpwm.h следующая:

#define USERPWM_ENABLED /* Закомментировать для отключения модуля */

#ifdef USERPWM_ENABLED

// Описание всех определений, которые часто изменяются (например разрядность ШИМ,

// частота ШИМ в нашем случае и т.п.)

#endif /* USERPWM_ENABLED */

Шаг 4. Добавляем в файл system/sysdef.h строчку #include “res_userpwm.h”. Этим действием мы включаем в систему все определения из файла system/res_userpwm.h.

Шаг 5. Открываем Makefile. Там есть строчки примерно такого вида

# Hardware level

HL-SRC = timer0.c int0.c adc0.c extports.c uart0.c pwm.c

HL-OBJ = hl.o

# Real-Time Level

RTL-SRC = rt_task.c mlans.c mlan.c

RTL-OBJ = rtl.o

# Operating-System Level

OSL-SRC = syscall.c led_mlan.c key.c

OSL-OBJ = osl.o

# User Program Level

UPL-SRC = main.c

UPL-OBJ = upl.o

Поскольку наш новый модуль находится в каталоге hl, то нетрудно догадаться что для

его добавления надо изменить строчку

HL-SRC = timer0.c int0.c adc0.c extports.c uart0.c pwm.c

на

HL-SRC = timer0.c int0.c adc0.c extports.c uart0.c pwm.c userpwm.c

То есть просто добавить имя файла с исходными текстами нашего нового модуля в список файлов с исходными текстами того уровня, где расположен наш модуль.

Вуаля ! Можете компилировать вашу новую систему и наслаждаться.

3. Вызов процедур пользователя по системному таймеру.

   После запуска системы прерывания всегда разрешены и периодически приходит прерывания от системного таймера. Пользователь может добавлять процедуры своих модулей для вызова их по прерыванию. Для этого надо открыть файл rtl_mac.h (для модулей уровней upl и osl) или hl_mac.h (для модулей уровня rtl), раскомментировать в нем одну из строчек и добавить в нее имя своей процедуры, которая должна вызываться по таймеру.

   Для модулей уровней upl и osl доступны следующие периоды вызова процедур:

   - 0.1 сек (вид #define UPL_TASK_100MS_xx или #define OSL_TASK_100MS_xx)

   - 1сек (вид #define UPL_TASK_1S_xx или #define OSL_TASK_1S_xx)

   - 1минута (вид #define UPL_TASK_1M_xx или #define OSL_TASK_1M_xx)

   - 1час. (вид #define UPL_TASK_1H_xx или #define OSL_TASK_1H_xx)

   Для модулей уровня rtl доступны следующие периоды вызова процедур:

   - FMAX (вид #define T_INT_MAX_xx )

   - 0.1 сек (вид #define T_INT_100MS_xx)

   - 1сек (вид #define T_INT_1S_xx)

   - 1минута (вид #define T_INT_1M_xx)

   - 1час. (вид #define T_INT_1H_xx)

   Частота FMAX – максимально возможная частота прерываний таймера. (определяется как F_CLK (частота кварца) деленная на количество тактов, через которые таймер посылает прерывания. Или FMAX= F_CLK/TIMER0_DEVIDER. Параметр F_CLK должен быть корректно указан в файле system/sysdef.h, а параметр TIMER0_DEVIDER – в файле system/res_timers.h.

   Процедуры защищены от повторного вхождения, но для корректной работы системы все же лучше соразмерять время выполнения процедуры, вызываемой по таймеру с периодом ее вызова.

   Приведем пример как создать эффект “бегущий огонь” на плате NedoPC-90.8535.

   Заходим в каталог upl.

   Пишем файл main.c (или изменяем его):

   //----------------------------------------------------------------------

   #define LEDPORT PORTB /*светодиодный порт*/

   #define LEDDDR DDRB /*регистр управления этим портом*/

   //----------------------------------------------------------------------

   char sled = 0x01; // 1 в том бите, где зажжен светодиод

   // Процедура, которая будет вызываемой по таймеру с периодом 1сек

   void ttask_leds_shift()

   {sled = sled << 0x01; // Сдвигаем 1 влево на 1 разряд

   if(sled > 0x0F){sled=0x01;} // Если 1 вышла за пределы младших 4х бит, возвращаем ее на место

   output(LEDPORT,(input(LEDPORT) | 0x0F) & (~sled));_NOP();_NOP(); // Изменяем состояния порта

   }

   //----------------------------------------------------------------------

   // Основная программа

   int main() {AUTOINIT_ALL_MODULES();

   // Инициализируем светодиодный порт

   output(LEDPORT,input(LEDPORT) | 0x0F);_NOP();_NOP();

   output(LEDDDR,input(LEDDDR) | 0x0F);_NOP();_NOP();

   //

   while(1){}

   //

   return(0);

   }

   //----------------------------------------------------------------------

Пишем файл main.h (или изменяем его):

//----------------------------------------------------------------------------

// File: main.h

// Contain headers for main.c

//----------------------------------------------------------------------------

void ttask_leds_shift();

//----------------------------------------------------------------------------

Заметьте, что имя процедуры, вызываемой по прерыванию, ОБЯЗАТЕЛЬНО должно быть указано в заголовочном файле. Иначе – ошибка компиляции.

Пишем файл rtl_mac.h (или изменяем его):

//----------------------------------------------------------------------

// Макросы вызова процедур по таймеру уровня UPL

//----------------------------------------------------------------------

// 100ms

//#define UPL_TASK_100MS_0()

//#define UPL_TASK_100MS_1()

//#define UPL_TASK_100MS_2()

//#define UPL_TASK_100MS_3()

//----------------------------------------------------------------------

// 1s

#define UPL_TASK_1S_0() ttask_leds_shift()

//#define UPL_TASK_1S_1()

//#define UPL_TASK_1S_2()

//#define UPL_TASK_1S_3()

//----------------------------------------------------------------------

// 1minute

//#define UPL_TASK_1M_0()

//#define UPL_TASK_1M_1()

//#define UPL_TASK_1M_2()

//#define UPL_TASK_1M_3()

//----------------------------------------------------------------------

// 1hour

//#define UPL_TASK_1H_0()

//#define UPL_TASK_1H_1()

//#define UPL_TASK_1H_2()

//#define UPL_TASK_1H_3()

//----------------------------------------------------------------------

Можете компилировать вашу новую систему и наслаждаться тем, как красиво бегает огонек.

3. Описание отдельных модулей пока не готово, но продолжение следует.