一、80251CPU的寄存器

（1）STC32G單片機與Keil的C251編譯器都是基于80251CPU內(nèi)核的。當(dāng)單片機的某個任務(wù)運行時，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，16位（字）寄存器16個，8位（字節(jié)）寄存器16個，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)計的兩款CPU內(nèi)核， 80251CPU中包含了一個完整的8051CPU，80251指令集中包含了一個完整的8051指令集。8051的8位累加器A和B對應(yīng)80251的R11和R10，這與80251CPU是大端數(shù)據(jù)存儲模式對應(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它們進行賦值和讀取，不能用對內(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個字節(jié)。在單片機運行時根據(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”寄存器對應(yīng)的是哪個地址的數(shù)據(jù)。

比如加法指令“ADD A, R4”，當(dāng)RS1RS0=00時，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，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)兩個最重要的原因一是初期的51單片機運行速度很低，二是1981年左右受工藝限制在集成電路中集成RAM很難很貴，因此對于要使用多個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刻擁有8個寄存器和24個字節(jié)的臨時寄存器變量，經(jīng)過優(yōu)化編譯，以較小的RAM空間實現(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，并不唯一對于8個內(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16位的寄存器WR4和WR6組成，而16位的WR6寄存器由兩個8位的寄存器R6和R7組成。每一組的寄存器中一個發(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就會被映射到不同的DATA區(qū)域，它們的值就會發(fā)生變化。

因此為了避免這種歧義，Keil的C251編譯器在對C語言程序進行編譯的時候不會對PSW的字段“RS1RS0”進行設(shè)置（其他字段在各種操作時由硬件設(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指令也能正確地運行，80251CPU的特殊寄存器在SFR區(qū)域中也有一個對應(yīng)的映射。標(biāo)準(zhǔn)的80251CPU映射見下圖，具體的采用80251內(nèi)核的單片機的映射應(yīng)參考其技術(shù)手冊。

二、FreeRTOS任務(wù)切換時的現(xiàn)場保護與恢復(fù)

（7）當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場是指任務(wù)程序執(zhí)行到切換點時程序進一步正確執(zhí)行時所需要的資源。FreeRTOS主要依靠定時器0的1KHz的中斷來掃描和調(diào)度任務(wù)，因此當(dāng)前執(zhí)行的實時任務(wù)的切換點就是定時器0的中斷點。

定時器0中斷發(fā)生時，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)場保護和恢復(fù)功能用匯編語言寫在“portasm.h”文件中。

（8）寄存器現(xiàn)場的保存與恢復(fù)。STC官方移植的FreeRTOS定時器0中斷現(xiàn)場的寄存器保護與恢復(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。

在中斷退出時或者任務(wù)恢復(fù)時，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R0～R7寄存器映射的討論，不管當(dāng)前任務(wù)用戶對字段“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)場保存了，無論它們處于哪個Bank。

要點：對于STC官方移植的FreeRTOS，不需要像8051單片機一樣，在第90行后面加“PSW=0”這樣的語句來對字段“RS1RS0”進行設(shè)置了。

（10）任務(wù)切換時對于任務(wù)堆棧的保存與恢復(fù)。

80251的系統(tǒng)SPX堆棧運行在也只能運行在EDATA內(nèi)存區(qū)域中，任務(wù)切換點的現(xiàn)場不但包括寄存器，還包括整個堆棧里面的內(nèi)容。比如在進行函數(shù)訪問和嵌套時，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，為了實現(xiàn)某些算法，編程者需要把某些變量和數(shù)據(jù)臨時存放在堆棧中，當(dāng)然，還包括中斷發(fā)生時被壓入堆棧的寄存器數(shù)據(jù)。

由于STC官方移植的FreeRTOS運行的內(nèi)存模式為“XSmall”模式，在這個模式下，用戶定義的任務(wù)的堆棧也放在了EDATA區(qū)域中。因此FreeRTOS采取了哪個任務(wù)運行，就將SPX堆棧運行在那個任務(wù)的任務(wù)堆棧中的方法，任務(wù)切換時只需要保存和恢復(fù)SPX的值，整個任務(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16位用間接尋址的方式保存SPX的值，實現(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版本只能運行在“XSmal”模式。

三、C251中斷時的現(xiàn)場保護與恢復(fù)

在實際的FreeRTOS項目中，除了系統(tǒng)的定時器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，如何協(xié)調(diào)這些中斷與FreeRTOS任務(wù)調(diào)度之間的關(guān)系，對于保障RTOS程序的正確運行很重要。

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

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

對比前面FreeRTOS的定時器0系統(tǒng)中斷，一個是沒有保存DR12，另一個是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C語言的編譯都不會使用，用戶編程時可以把它作為臨時變量使用；其次，DPXL的值由Keil的C251編程環(huán)境在單片機啟動時設(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)。下圖為一個典型的例子：

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

從上圖中可以看到比無變量情況，增加了“PUSH R15”指令。這是因為C251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簡單中斷服務(wù)函數(shù)。下圖為一個典型的例子：

這是定時器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。這是因為“CPL 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。

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

（15）下面是C51編譯器對STC8H8K單片機鍵盤掃描范例中的中斷程序：

其對應(yīng)的編譯結(jié)果為：

對比上面C251和這里C51保存中斷現(xiàn)場的程序，這里在保存寄存器現(xiàn)場中明顯第加入了“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，后文將給出詳細的原因分析。

三菱PLC的中斷分為三種：輸入中斷，計數(shù)中斷和定時器中斷，這個和單片機有點類似，本小節(jié)主要以介紹一下輸入中斷，通過PLC的輸入端子觸發(fā)的中斷。

什么是中斷？中斷有什么用？

什么是中斷：中斷就是當(dāng)PLC正在執(zhí)行某一個動作時，突然收到中斷觸發(fā)信號，立即停止當(dāng)前執(zhí)行動作，去執(zhí)行中斷程序中的動作，中斷程序執(zhí)行完成后返回被打斷的地方繼續(xù)執(zhí)行之前動作，中斷程序的優(yōu)先級最高，不受掃描周期的影響；就比如你正在洗衣服，正洗了一半，突然你媳婦喊你打王者榮耀，于是你立即停止洗衣，開始打游戲，打完王者后，你又返回繼續(xù)洗衣服。你媳婦喊你打王者是觸發(fā)中斷，你打游戲是中斷運行程序，你洗衣服時主程序；

中斷參考示意圖

中斷有什么用：中斷程序一般情況下很少用到，簡單了解一下即可。PLC是通過不斷執(zhí)行輸入掃描，程序執(zhí)行，輸出刷新三個動作，執(zhí)行完一個周期所用的時間稱為一個掃描周期，F(xiàn)X系列PLC掃描周期通常10-30ms；假如X0作為外部輸入計數(shù)用，掃描周期是20ms，在一個掃面周期內(nèi)X0變化了多次，這個時候，計數(shù)就不準(zhǔn)確了，如果引入中斷就可以解決掃描周期帶來的影響；

FX3U中輸入中斷對應(yīng)的指針編號：

輸入中斷指針及編號

應(yīng)用案例：X0作為外部輸入脈沖計數(shù)，X0的下降沿時觸發(fā)中斷進行計數(shù)；在三菱PLC的梯形圖編程中程序如下圖所示；

參考程序