現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)與恢復(fù)，不但是前后臺(tái)多任務(wù)系統(tǒng)的中斷任務(wù)必備的組成，同樣也是FreeRTOS搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心組成部分。本文對(duì)比介紹這它們實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與恢復(fù)的不同方法和特點(diǎn)。

一、80251CPU的寄存器

（1）STC32G單片機(jī)與Keil的C251編譯器都是基于80251CPU內(nèi)核的。當(dāng)單片機(jī)的某個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，最重要的資源就是全部寄存器。80251CPU的寄存器見下圖：

從圖中可以看到80251CPU的寄存器分為32位（雙字）寄存器10個(gè)，16位（字）寄存器16個(gè)，8位（字節(jié)）寄存器16個(gè)，圖中表格中的名稱就是80251匯編語言中的寄存器名稱。

80251和8051是Intel經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的兩款CPU內(nèi)核， 80251CPU中包含了一個(gè)完整的8051CPU，80251指令集中包含了一個(gè)完整的8051指令集。8051的8位累加器A和B對(duì)應(yīng)80251的R11和R10，這與80251CPU是大端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式對(duì)應(yīng)。

80251的所有寄存器并不位于內(nèi)存地址空間，它們位于專門的“寄存器文件組”空間，除了“R0～R7”寄存器，其余寄存器只能用寄存器尋找模式對(duì)它們進(jìn)行賦值和讀取，不能用對(duì)內(nèi)存地址空間的尋址方式來操作它們，在上圖中用淺綠色表示。

（2）上圖中深綠色的8051的通用8位寄存器R0～R7是一組很特殊的寄存器，它是位于內(nèi)存地址空間的4組寄存器中的一組，見下圖所示：

8051的4組寄存器Bank0～Bank3，位于內(nèi)存DATA區(qū)域，占頭32個(gè)字節(jié)。在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)程序狀態(tài)字“PSW”中的“RS1”和“RS0”兩位來決定8051指令中的“R0～R7”寄存器對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)地址的數(shù)據(jù)。

比如加法指令“ADD A, R4”，當(dāng)RS1RS0=00時(shí)，是將存在DATA空間地址04H的8位數(shù)據(jù)與A寄存器內(nèi)容相加，但是當(dāng)RS1RS0=10時(shí)，卻是將存在DATA空間地址14H的8位數(shù)據(jù)與A寄存器內(nèi)容相加。

8051CPU采用這樣結(jié)構(gòu)兩個(gè)最重要的原因一是初期的51單片機(jī)運(yùn)行速度很低，二是1981年左右受工藝限制在集成電路中集成RAM很難很貴，因此對(duì)于要使用多個(gè)變量的程序沒有那么多內(nèi)存空間可以使用。采用的是4組寄存器的方法，本質(zhì)上是讓用戶在同一時(shí)刻擁有8個(gè)寄存器和24個(gè)字節(jié)的臨時(shí)寄存器變量，經(jīng)過優(yōu)化編譯，以較小的RAM空間實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理的需求。

（3）重要：在80251指令中涉及“R0～R7”寄存器的操作，并不唯一對(duì)于8個(gè)內(nèi)存地址，而是依賴于PSW中的字段“RS1RS0”的值將DATA空間的4組地址映射為“R0～R7”寄存器。

（4）在80251CPU中，8位、16位和32位寄存器不是獨(dú)立的，而是像金字塔一樣組成的。

下圖為80251通用寄存器的組成方法

比如32位的DR4寄存器由兩個(gè)16位的寄存器WR4和WR6組成，而16位的WR6寄存器由兩個(gè)8位的寄存器R6和R7組成。每一組的寄存器中一個(gè)發(fā)生變化，則這一組的寄存器都按組成方式變化。

（5）重要提示：從上面的組成圖可以看出，DR0和DR4、WR0～WR6寄存器依賴“R0～R7”寄存器，即使你沒有改變它們，但只要PSW中的字段“RS1RS0”的值發(fā)生變化，那么R0～R7就會(huì)被映射到不同的DATA區(qū)域，它們的值就會(huì)發(fā)生變化。

因此為了避免這種歧義，Keil的C251編譯器在對(duì)C語言程序進(jìn)行編譯的時(shí)候不會(huì)對(duì)PSW的字段“RS1RS0”進(jìn)行設(shè)置（其他字段在各種操作時(shí)由硬件設(shè)置）。

由于80251有很多的寄存器和DATA空間了，特別建議用戶如果沒有特別的目的不要用匯編語言去設(shè)置“RS1RS0”字段。

（6）由于80251指令集完整包含8051指令集，因此為了保證8051指令也能正確地運(yùn)行，80251CPU的特殊寄存器在SFR區(qū)域中也有一個(gè)對(duì)應(yīng)的映射。標(biāo)準(zhǔn)的80251CPU映射見下圖，具體的采用80251內(nèi)核的單片機(jī)的映射應(yīng)參考其技術(shù)手冊(cè)。

二、FreeRTOS任務(wù)切換時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與恢復(fù)

（7）當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)是指任務(wù)程序執(zhí)行到切換點(diǎn)時(shí)程序進(jìn)一步正確執(zhí)行時(shí)所需要的資源。FreeRTOS主要依靠定時(shí)器0的1KHz的中斷來掃描和調(diào)度任務(wù)，因此當(dāng)前執(zhí)行的實(shí)時(shí)任務(wù)的切換點(diǎn)就是定時(shí)器0的中斷點(diǎn)。

定時(shí)器0中斷發(fā)生時(shí)，24位的PC值（用戶下一條要執(zhí)行的程序地址）和PSW1程序狀態(tài)字已經(jīng)被組合位4個(gè)字節(jié)32位由硬件壓入堆棧了，其余的中斷服務(wù)程序由移植的FreeRTOS程序來完成。其中涉及中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)功能用匯編語言寫在“portasm.h”文件中。

（8）寄存器現(xiàn)場(chǎng)的保存與恢復(fù)。STC官方移植的FreeRTOS定時(shí)器0中斷現(xiàn)場(chǎng)的寄存器保護(hù)與恢復(fù)的程序見下圖：

上圖中第81行到第90行依次將9個(gè)32位的寄存器壓入堆棧保存，在將8051的程序狀態(tài)字PSW壓入堆棧保存。

在中斷退出時(shí)或者任務(wù)恢復(fù)時(shí)，第97行到第106行程序?qū)⑦@些寄存器原樣從堆棧中恢復(fù)。

（9）關(guān)于R0～R7寄存器的討論。注意第88行和第89行是將R0～R7寄存器用對(duì)應(yīng)的32位寄存器DR0和DR4推入堆棧的，然后把PSW推入堆棧，這樣按照前面對(duì)R0～R7寄存器映射的討論，不管當(dāng)前任務(wù)用戶對(duì)字段“RS1RS0”的設(shè)置如何，這3條指令都已把當(dāng)前任務(wù)的正在使用的R0～R7寄存器現(xiàn)場(chǎng)保存了，無論它們處于哪個(gè)Bank。

要點(diǎn)：對(duì)于STC官方移植的FreeRTOS，不需要像8051單片機(jī)一樣，在第90行后面加“PSW=0”這樣的語句來對(duì)字段“RS1RS0”進(jìn)行設(shè)置了。

（10）任務(wù)切換時(shí)對(duì)于任務(wù)堆棧的保存與恢復(fù)。

80251的系統(tǒng)SPX堆棧運(yùn)行在也只能運(yùn)行在EDATA內(nèi)存區(qū)域中，任務(wù)切換點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)不但包括寄存器，還包括整個(gè)堆棧里面的內(nèi)容。比如在進(jìn)行函數(shù)訪問和嵌套時(shí)，函數(shù)的返回地址就被LCALL或者ECALL指令保存在堆棧中，另外，可重入函數(shù)的參數(shù)和局部變量也放在了堆棧中，最后，為了實(shí)現(xiàn)某些算法，編程者需要把某些變量和數(shù)據(jù)臨時(shí)存放在堆棧中，當(dāng)然，還包括中斷發(fā)生時(shí)被壓入堆棧的寄存器數(shù)據(jù)。

由于STC官方移植的FreeRTOS運(yùn)行的內(nèi)存模式為“XSmall”模式，在這個(gè)模式下，用戶定義的任務(wù)的堆棧也放在了EDATA區(qū)域中。因此FreeRTOS采取了哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行，就將SPX堆棧運(yùn)行在那個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中的方法，任務(wù)切換時(shí)只需要保存和恢復(fù)SPX的值，整個(gè)任務(wù)堆棧的內(nèi)容就被保存和恢復(fù)了。下圖是任務(wù)堆棧保存與恢復(fù)的程序：

其中DR60包括了SPX，第49行將其賦值到DR0，第50行將當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)表地址賦值給DR4，然后第51行和第52行分兩個(gè)16位用間接尋址的方式保存SPX的值，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)堆棧的保存。第59行到第62行是恢復(fù)任務(wù)SPX的值，完成恢復(fù)任務(wù)的功能。

采用這種將用戶任務(wù)堆棧設(shè)置在EDATA空間的方法，由于只保存和恢復(fù)SPX寄存器的值，不用進(jìn)行堆棧內(nèi)容復(fù)制，所以任務(wù)切換速度極快。但也注定STC官方移植的FreeRTOS V1.02版本只能運(yùn)行在“XSmal”模式。

三、C251中斷時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與恢復(fù)

在實(shí)際的FreeRTOS項(xiàng)目中，除了系統(tǒng)的定時(shí)器0中斷外，還有其他的中斷，在這些中斷中，如何保存中斷保存和恢復(fù)當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，如何協(xié)調(diào)這些中斷與FreeRTOS任務(wù)調(diào)度之間的關(guān)系，對(duì)于保障RTOS程序的正確運(yùn)行很重要。

（11）C251無局部變量中斷服務(wù)函數(shù)。下圖為一個(gè)典型的例子：

這個(gè)例子里，實(shí)際的中斷服務(wù)程序寫在另一個(gè)程序文件中，這里就只有一個(gè)函數(shù)訪問語句，在中斷函數(shù)里沒有使用局部變量。下面是對(duì)應(yīng)的編譯后的匯編語言列表：

對(duì)比前面FreeRTOS的定時(shí)器0系統(tǒng)中斷，一個(gè)是沒有保存DR12，另一個(gè)是DR56中，只保存了DPTR部分，沒有保存DPXL8位寄存器部分。

這是C251的約定：首先DR12（包括WR12、WR14、R12～R15）寄存器，保留給中斷函數(shù)中的局部變量使用，其他地方對(duì)C語言的編譯都不會(huì)使用，用戶編程時(shí)可以把它作為臨時(shí)變量使用；其次，DPXL的值由Keil的C251編程環(huán)境在單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置，用戶程序和C251編譯器自己都不得改變它。

（12）C251有局部變量中斷服務(wù)函數(shù)。下圖為一個(gè)典型的例子：

這是CAN1的中斷服務(wù)程序，里面有兩個(gè)8位的變量“isr”和“store”，下圖是編譯后的中斷現(xiàn)場(chǎng)保存程序：

從上圖中可以看到比無變量情況，增加了“PUSH R15”指令。這是因?yàn)镃251編譯器將R15作為“store”變量使用。由于本中斷程序使用了“R15”，所以將用戶任務(wù)的“R15”作為現(xiàn)場(chǎng)保存，待中斷任務(wù)完成后再與其他寄存器一起恢復(fù)出來。

（13）C251簡(jiǎn)單中斷服務(wù)函數(shù)。下圖為一個(gè)典型的例子：

這是定時(shí)器1的中斷程序，它只是將P66的LED燈的電平翻轉(zhuǎn)。下圖是對(duì)應(yīng)的編譯后匯編語言列表：

從圖中可以看到，除了硬件中斷本身推入堆棧的24位PC和PSW1外，沒有再保存任何寄存器，包括PSW。這是因?yàn)椤癈PL P66”這條指令，不涉及任何寄存器，也不改變?nèi)魏蜳SW中的標(biāo)志位，所以不需要保存和恢復(fù)硬件中斷外的其他現(xiàn)場(chǎng)。

（14）結(jié)論。對(duì)于C251編譯器，如果用戶打開高級(jí)別優(yōu)化選項(xiàng)，那么編譯器就會(huì)分析中斷程序的內(nèi)容，自動(dòng)地決定要保存或恢復(fù)多少中斷現(xiàn)場(chǎng)。

（15）下面是C51編譯器對(duì)STC8H8K單片機(jī)鍵盤掃描范例中的中斷程序：

其對(duì)應(yīng)的編譯結(jié)果為：

對(duì)比上面C251和這里C51保存中斷現(xiàn)場(chǎng)的程序，這里在保存寄存器現(xiàn)場(chǎng)中明顯第加入了“MOV PSW, #00”指令，而C251在任何情況下都沒有這條指令，這是為什么？限于篇幅，后文將給出詳細(xì)的原因分析。