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
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，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：
ABSPATH＝…/avrx /＊更改AVRX原路径到实际路径下＊/
修改 MCU＝8535
AAVRMCU＝1
GCCMCU＝at90s$（MCU）
AVRXMCU＝＿AT90S$（MCU）＿
为ICCMCU＝m16
AAVRMCU＝3
GCCMCU＝atmega16
AVRXMCU＝＿AT90Mega16＿
②重新修改AVRX源码的serialio.s文件，即根据不同的单片机修改串口部分的寄存器定义。需要增添如下代码：
＃if defined（UBRRL）
＃define UBRR UBRRL
＃endif
＃if defined（UBRRH）
sts UBRRH，p1h
＃endif
③重新编译内核。具体做法是复制一个“令名提示符”到AVRX目录下，运行“命令提示符”，键入“makegcc”命令后运行就完成了AVRX内核的重新编译，会生成很多的.o文件和avrx.a文件。这些文件在以后的应用程序中会使用。
至此就完成了AVRX在ATmega16单片机上的内核移植，接着就可以编写应用程序了。
2.2 在AVRX上编写应用程序
这时候要用一个新的makefile文件，同时自己的程序可以不和AVRX的内核在一个目录，但是要指出依赖文件的明确路径。makefile的框架可以采用Winavr的sample文件夹下的makefile文件框架，这里的难点其实还是makefile文件的语法问题。下面介绍应用程序的makefile文件在实例中需要修改或增加的代码：
MCU＝atmega16 /＊
TARGET＝test ／＊应用程序文件名＊/
GCCLIB＝$（AVRX）/avrx/avrx.a
GCCINC＝－L－I$（AVRX）/avrx－I$（AVR）/avr/inc /＊加上相关的库＊/
SCANF_LIB_MIN＝－W1，－u，vfscanf－1scanf_min
SCANF_LIB_FLOAT＝－W1，－u，vfscanf－1scanf_flt
SCANF_LIB /＊设置sacnf函数库的类型，在不使用时可以注释掉，这样可以减小编译后的文件大小＊/
LDFLAGS＋＝$（PRINTF_LIB）$（SCANF_LIB）$（MATH_LIB） /＊新增的连接器参数设定＊/
3 系统测试
3.1 系统实时性测试
在实时系统中，实时系统的实时性表现在系统对外部事件的响应能力上，系统通过中断来响应外部事件的发生，并且在用户中断程序中做的事要尽量少，把大部分工作留给任务去做，只是通过信号量或者信息机制来通知任务运行。Mega16的定时器2设为比较匹配输出模式，在匹配时间到了之后产生一定周期脉冲输出，并产生中断。设置定时器1为计数模式来计数产生的脉冲输出。通过定时器2的比较匹配中断服务子程序来发信号量通知任务运行，并在中断子程序中不开中断，而在任务得到信号后开中断，以实现中断处理与任务运行的同步，任务中对一个全局变量计数，以记录任务执行的次数。运行一段时间后，在设置的匹配时间里，任务的运行次数和定时器1的计数一样，则系统在这段时间里是能完全响应外部事件的，当定时器2的比较匹配时间设为大于23μs时，2个计数是相等的；当小于23μs时，定时器1计数值大于任务计数值，说明任务没有完全得到响应。这说明中断的进入和返回即系统对外部时间的响应和处理时间为23μs，远远大于其他操作系统在AVR单片机上移植后的响应时间。
3.2 使用例程测试
这里只对源文件中的几个例程先进行简单的编译，然后去掉不必要的代码，加入自己想测试的一些代码，进行了定时器控制模块，信号量和消息队列以其简单组合的测试，均在ATmega16上达到了预期的效果。
4 心得体会
①AVRX的源码都是用汇编语言编写的，相对来讲代码效率很高，但是由于没有详细的API介绍文档，所以好的入门方法就是先读懂RTOS的源码和例程，然后进行修改，再加上自己的代码逐渐熟练应用。
②AVRX需要分配的堆栈为35个字节加上任务代码需要的额外堆栈，具体的大小取决于每个进程用的本地变量个数。比较好的确定分配给任务堆栈大小的方法是：分配很大的堆栈（如70字节）运行一段应用程序后看堆栈到多深（因为GCC启动时把所有内存都清0了，这样很容易看到）。不过，为了安全起见，用编译器或仿真器在估计堆栈的顶端写入几个字节的0xFFFFF去验证到底达到了多少字节，然后分配给比测试结果多两个以上的字节给这个任务。
③启动的后一个指令必须跳转到Epilog（）。
5 结论
AVRX是一个不错的RTOS，显著的特点就是内核小，速度快，编译后大概只需500～700字节，且基本的调度功能一个也不少。由于其代码公开，结合不同型号AVR单片机的特性，可以在此基础上进行系统的裁减和扩展，使之能达到更好的效果，本文为AVR嵌入式系统的应用提供了借鉴。
