1 RTOS的基本概念

实时多任务操作系统（RTOS-Real Time Operating System）是根据操作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系 统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，重要特点是要满足对时间的限制和要求。

实时操作系统中的任务(Task)有四种状态：运行(Executing)，就绪(Ready)，挂起(Suspended)，休眠(Dormant)。

运行：获得CPU控制权。

就绪：进入任务等待队列。通过调度转为运行状态。

挂起：任务发生阻塞，移出任务等待队列，等待系统实时事件的发生而唤醒。从而转为就 绪或运行。

休眠：任务完成或错误等原因被清除的任务。也可以认为是系统中不存在了的任务。

某一时刻，系统中只能有一个任务在运行状态。各任务按级别通过时间片分别获得对CPU的访问权。

RTOS内核按照任务的调度机制可以分为两种：一种是占先式内核，一种是非占先式内核。

占先式内核：当一个低优先级的任务正在运行时，一个高优先级的任务就绪，那么RTOS就会把低优先级的任务挂起，来运行高优先级的任务。等高优先级的任务执行了一个循环挂起之后，再回到低优先级任务的断点继续运行。也就是说，任务的优先级越高，响应起来越及时。

非占先式内核：当一个低优先级的任务在运行时，一个高优先级的任务就绪，RTOS不会把CPU切换给高优先级的任务，必须等低优先级的任务执行了一个循环挂起之后，再由RTOS根据所有就绪任务的优先级判断将CPU切到哪个任务。

绝大多数商业RTOS, 以及著名的开放源码的uC/OS-II操作系统，都采用的是占先式内核，它的优点是实时性要比非占先式内核高。

在RTOS中，一般情况下，每个任务都一无限循环，每循环一次，任务挂起一段时间，以供调度程序把这段时间交给优先级更高的其它就绪任务，让其它任务运行(如图1)。当所有任务都挂起时，RTOS把任务切到空闲任务来执行。

空闲任务是一个系统任务，它一般是一个空的循环，优先级最低，也从来不会挂起。

2 在MSP430上使用RTOS的意义

一般的观点认为，MSP430上使用RTOS是没有意义的。这是可以理解的，因为MSP430的硬件资源有限(以MSP430F149为例，只有2KRAM),任何商业操作系统都不可能移植到MSP430上。目前在MSP430上得到应用的RTOS，只有 uC/OS-II，但使用uC/OS-II 必须有昂贵的C编译器，这严重限制了其在MSP430上的使用。

正是基于以上情况，笔者在应用MSP430过程中，编写了一个基于MSP430F149的RTOS，暂定名为M430/OS。它占用RAM量少、代码短小，稍加改动就可适用于大多数其它MSP430单片机。

在MSP430单片机系统上使用M430/OS，对系统有以下意义：

1） 实现软件设计的模块化。可将不同的功能模块编制成相应的任务，由操作系统按级别调用，不必为先执行哪个功能、后执行哪个功能而费神。

2） 更能合理、有效地利用CPU有限的资源。按任务的重要程度安排任务的级别，能够保证最重要的任务执行得最及时。

3） 大大降低系统故障率。低优先级的任务发生阻塞时，高优先级的的任务的执行不受影响。

3 M430/OS在MSP430F149上的实现

3.1 功能特点
　　
M430/OS有以下特点：

1） 采用占先式内核，即高优先级的任务可以从低优先级任务"抢"回CPU控制权；

2） 每个任务都单独开辟一个任务栈；

3） 每个任务占十几到几百个字节的任务堆栈，任务栈的大小可以根据任务中现场数据、局部变量和嵌套调用的情况估算；

4） 每个任务各占一个优先级,不支持两个任务有相同的优先级；

5） 不支持信号量、邮箱功能；

6） 任务状态只有三种：运行(Executing)，就绪(Ready)，挂起(Suspended)；

7） 系统占用RAM量=（（任务个数+1）×4）+6个字节，不包括任务堆栈；

8） 代码量少，目前版本的代码共有87行汇编代码，256字节目标代码；

9） 理论最多支持126个任务；

10）任务锁定功能：在一段低优先级的代码中，不想让操作系统把CPU权切换到别的任务，这时可以把这代码锁定，在运行这段码时，就不会引起任务切换；

11）任务唤醒功能：在一个任务中产生一个的事件来触发其它任务运行（如果被触发的任务优先级高的话，就会马上运行）。

3.2 系统函数介绍

1） OS_Init：多任务初始化，进行任务栈（任务栈的结构见图3）、任务延时计数、任务状态的初始化。初始化完成后，系统直接切换到最高优先级的任务，多任务系统启动。

2） OS_Time_Dly：把当前任务挂起一段指定时间让其它任务运行。

3） OS_Sched：任务调度，它先把每个任务的延时数减1，然后再找出最高优先级的就绪任务，并切换到这个就绪任务。如果无就绪任务，就切换到空闲任务。

4） OS_Free_Task：空闲任务，是一个很重要的系统任务，当所有任务都挂起时，来运行此任务。它主要是对一个计数器Free_Count一直进行累加，用户可以根据这个计数器来计算出CPU的利用率来。

5） OS_Task_Lock：锁定任务调度，禁止任务调度。主要用来锁定在低优先级中的一些为可重入的代码或一些重要代码。

6） OS_Task_Unlock：解锁任务调度，和上面的子程序功能相反。

7） OS_Task_Wakeup：唤醒指定优先级的任务，并产生一次任务调度，如果被唤醒任务的优先级比当前运行的任务的优先级高，就会任务切换到被唤醒的任务中，否则等待下一个调度时机。

3.3 主要功能的实现

a) 任务初始化

系统加电运行后，首先对硬件资源进行初始化，接着就要对多任务进行初始化了。主要是初始化每个任务的任务栈、每个任务的时钟滴数和堆栈指针位置。我们把每个任务栈都初始化成图2形式：

任务栈的初始化如下程序（r11是用来初始任务堆栈的一个指针，r10是一个循环计数器）：

mov.w　　　　 #(栈底 + 2) , r11

clr.w　　　　 Task_Tick(r10)　　　　 ;清0时钟滴嗒数

mov.w　　　　 #任务首地址 , 0(r11) 　;把任务地址压入堆栈

mov.w　　　　 SR , -2(r11)　　　　 　;把标志寄存器放入任务栈

mov.w　　　　 r11 , Task_SP(r10)

sub.w　　　　 #现场所占的字节数 , Task_SP(r10) ;SP位置放入堆栈

初始化完任务栈之后，就把堆栈指针指向最高任务先级任务栈的任务首地址处，再执行ret返回，这样，多任务就启动开了。如下程序：

mov.w　　　　 #09feh , sp　　　　　　;最高优先级的任务栈任务首地址位置

ret　　　　　　　　　　　　　　 　　　;返回到最高优先级的任务

任务初始化的流程见图3。

b) 时钟节拍

时钟节拍由MSP430F149的TimerA产生，TimerA工作于上升模式，CCR0中是TimerA计数最大值。TimerA初始化代码如下：

bis.w　　　　 #(TASSEL1+TACLR+MC_1),&TACTL

mov.w　　　　 2(sp),&CCR0　　 ;计数最大值，此值决定时钟节拍

bis.w　　　　 #CCIE,&CCTL0

c) 任务调度

应用程序调用OS_init进行初始化后，直接切换到最高优先级的任务。

每个任务在运行一个循环后执行OS_Time_Dly挂起。这是通过把该任务的延时数填到该任务的Task_Tick中，然后再执行任务调度程序实现的。

任务调度就是在定时中断时对所有任务的Task_Tick减1，然后再接优先级高低的顺序查找Task_Tick减到0的任务，并直接跳到任务切换程序。

下面的一段是任务切换程序（r10的内容是就绪任务的标志，由调度程序找出）：

pushALL　　　　　　　　　　　　 　;把当前任务现场入栈

mov.b　　　　 Now_Task,r11　　　 ;当前任务标志放r11

mov.w　　　　 sp,Task_SP(r11)　　;保存当前任务堆栈指针

mov.b　　　　 r10,Now_Task　　 　;就绪任务标志变为当前任务标志

mov.w　　　　 Task_SP(r10),sp　　;就绪任务的任务栈指针放入SP

;此时再进行堆栈操作就是对就绪任务的任务栈操作了。

popALL　　　　　　　　　　　　 　　;把就绪任务的现场出栈

reti　　　　　　　　　　　　　　 　;模拟中断返回，返回到就绪任务

任务调度的调度时机有两种：一种是在任务挂起时，一种是定时中断。任务挂起时的任务调度一定会引起任务切换，定时中断就不一定引起任务切换了。因为如果就绪任务是当前正在运行的任务时不会引起切换。正是如此，任务调度是RTOS中执行得最频繁的一个功能，也是最重要的一个功能，所以必须尽量缩减其代码量，尽量用可靠的调度算法来减少任务调度所占的时间。这个子程序的流程见图4。

d) 任务锁和其它功能的实现

任务的加锁与解锁是为了使一些在低优先级任务的不可重入代码或对实时性要求较高的I/O操作在执行中不产生任务切换，这项功能是通过设置一个标志位实现的，当调度程序检查到任务被锁定时，就算有就绪任务也必须等开锁之后才能切换。

如果系统突然产生一个事件要某个挂起的任务来处理，可以在事件产生的程序中调用任务唤醒。它的原理是把Task_Tick清0，然后执行一次任务调度，如果这个任务优先级较高，就直接切换到这个任务里执行了。

总结

M430/OS已在笔者开发的基于MSP430F149的系统上得到应用，运行稳定可靠。该操作系统稍加改动，就可应用于其它MSP430单片机。当然，它的功能还是很有限的，也可能还存在一些尚未暴露的问题，但无论如何，它向我们证明，在MSP430单片机系统中使用RTOS是完全可能的。

引言

当前市场上血糖仪种类繁多，外形结构千奇百态，而价格和精度却大相径庭，且价格和高精度难以兼得。原因在于没有找到一款合适的微处理器，另外，处于屏幕尺寸的限制，界面普遍采用英文字符现实，这给中国病人带来了一定的困难。

随着电子技术的发展，微处理器功能日益增强，价格日趋降低，有必要选出一款功能强大而价格便宜的处理器来重新设计血糖仪。本选用的MSP430系列微处理器使上述设想成为可能。

原理

血糖仪是根据电生物化学原理－－施加一定电压与经酶反应后的血液产生的电流会随着血液中的血糖浓度的增加而增加－－设计的。通过精确测量出这些微弱电流，并根据电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。所以，确定这个关系是问题的核心，但其关系复杂，受多方面因素影响，如电压强度，所使用的试条以及检测的血液量等，理论上需要在所有浓度点上做大量实验才能确定最终的关系，在实际操作中，只需要在选择若干重要浓度点是做大量实验，并确定其与电流值之间的关系，而相邻浓度点之间用简单的线性关系取代。

系统硬件设计

根据血糖仪功能的实际需求，结合MSP430系列单片机特点，采用型号为MSP430F435的单片机作为控制核心，其他模块还有电流检测，按键输入和电源、显示、扬声器及串口通信等，如图1所示。

MSP430F435单片机

本系统选用的单片机MSP430F435具有16Kb Flash存储器、512BRAM、多达160段LCD驱动器，8通道/12位ADC及大量的I/O端口等，完全满足本血糖仪的各项功能需求。

主要端口设置如图2所示，其中COM0－COM3、S16－S39、R03－R33用于实现LCT显示， Port74和Port75用于串行通信，Port79－Port81为按键的输入端，Port76和POrt77分别为运算放大器和RS－232芯片提供供电电压，Port78连接蜂鸣器，Port2和Port3为ADC输入，Port7参考电压输出，XOUT和XIN连接32KHz的晶振，这是系统的时钟源。

LCD显示

MSP430F435具有液晶驱动功能，最大能支持160段LCD，并且具有功耗低等特点，本采用中文界面的LCD显示，这也是本款血糖仪的一大特点，此LCD有96码，内容丰富、功能强大、极大地方便了病人的使用。

血糖检测

从原理中已经知道，测量血糖时需要在相应的电极上施加一定的电压，而电压的稳定性将直接影响测量结果，因此，考虑从相对稳定的参考电压得到，而不是直接从供电电源中得到。

MSP430单片机A/D采样的是电压值，而被检测的是微量的电流值，因而也需要将电流值放大并转换成相应的电压值，采用如图3所示的电路就能实现这一要求，其中，电阻R用于放大，此外，过少的血液量也将造成结果偏差，所以有必要生产设计一个用于检测血液是否足量的简单电路，而此电路完全可以用与图3相同的电流来代替，因此，采用两个这样的电路就可以实现血糖测量。

其他模块

本系统的供电电压为3V，采用两块电池，其中一块是主供电源，另一块为备用，以便设备在换电池时仍能正常工作。

按键采用三个，分别是左键、右键，和OK键；OK键主要用于开、关机和确认等，左键用于数字减或选项左移等，而右键用则与左键相反。

由于血糖仪中存有大量的测量结果，因此有必要增加串口通信功能，将这些结果上传到PC作进一步处理，而单片机本身就具有串行通信接口，只需将TTL电平转化为RS232电平即可。这里SP3232芯片来实现这一功能。SP3232芯片所需的供电电压低，适合便携式设备应用，其外围电路的连接简单，仅需几个0.1μF的电容即可。值得注意的是其供电电压是由单片机端口控制输出的，以达到省电的目的。

系统软件设计

系统软件采用C语言编写，其主程序框架如图4所示。

对于便携式设备，电池寿命至关重要，设计使应尽量降低功耗，使系统尽可能长时间地停留在低功耗状态，因此，考虑设备在适当的时候自动关机。这里采用了一个定时器。当定时器大于0时，系统处于开机状态，当定时器倒数到0时，系统自动关机，这个定时器是由单片机中的Basic Timer实现的，通过软件对Basic Timer控制寄存器进行设置，将信号源设为辅助时钟，大小为32KHz，并进行256分频，再对中断定时间隔控制位进行设置，使得中断每秒进行一次，并且每次到来时都对定时器减1，这样就实现了定时器每秒减1的功能，具体操作过程为：开始时，对定时器初始化一个大于0的值比如30，并且每按一次有效键时，系统重新初始化这个值。因此，当没有按任何有效键时，30秒后就会自动关机，从而实现省电的目的。

系统也具有实时时钟功能，它的实现方式与上述的定时器类似，只是将“每秒减1”改为“每秒加1”，具体操作为：每次中断时都对秒变量加1，当秒变量的值变为60时，就对分钟变量加1，而秒变量又重新从0开始计数。同样，当分钟变量累加到60时，就对小时变量加1，而自身又从0开始计数。依次类推，就可以实现实时时钟和日期功能。

为满足个性化需要，还增加和时钟和单位设置，平均值和温度显示等功能，这里就不在赘述了。下面主要介绍一下测量模块，首先，初始化各个端口以及ADC寄存器，然后等待滴血。当检测到足量血时，断电并等待若干秒，使之与试条上的酶充分反应，随后加电并在一秒后迅速读取。

计算公式

这部分无疑是本设计的关键，表1是使用本设计的样机测得的部分数据，由表中的数据不难看出，血糖仪和血糖试条的测量重复性较好－－CV＜3％，远远高于国家标准＜7.5％的要求。

通过对数据进行3次曲线拟合，就可以得到血糖和电流值之间的关系曲线图，图5是原始数据分段曲线和拟合曲线的对比图，容易看出两跳曲线很温和，因此，实际操作中可以用一个公式代替分段函数，这里的曲线公式为：

Y＝0.0397×X³－0.6779×X²＋17.3271×1.0462

其中，X是电流值，单位为μA，Y是对应的血糖值，单位为mg/dl。在实际验证过程中，上述公式具有良好的精度。

结语

此款血糖仪采用MSP430F435作为其核心控制单元，它具有12位A/D转换，采样精度达到1/4096，除了基本功能外，系统还增加了闹铃提示和串口通信功能，使用户不仅可以定时测量，而且还可以通过串口将测量结果保存到PC，再通过相应的软件，对数据作进一步处理，本文总结的公式经临床证明具有良好的精度，此外，中文字符界面也极大地方便了用户使用。