嵌入式实时操作系统(uCOS)分析

1嵌入式系统设计与实例开发——C/OS-Ⅱ实时操作系统C/OS-Ⅱ分析2本节提要132546C/OS-Ⅱ简介C/OS-Ⅱ内核结构C/OS-Ⅱ任务通信与同步C/OS-Ⅱ任务管理C/OS-Ⅱ时间管理C/OS-Ⅱ移植3RTOS是32位的嵌入式CPU的软件基础RTOS内核提供CPU的管理硬件初时化，MMU，定时器，中断RTOS内核提供任务，内存管理RTOS提供设备管理，文件和网络的支持RTOS提供C/C++，JAVA，图形模块等编程接口4C/OS简介1、C/OS——MicroControllerOS，微控制器操作系统2、C/OS简介美国人JeanLabrosse1992年完成应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等1998年C/OS-II，目前的版本C/OS-IIV2.612000年，得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器中网站（)5公开源代码可移植性（Portable）绝大部分C/OS-II的源码是用移植性很强的ANSIC写的。和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得C/OS-II便于移植到其他微处理器上。C/OS-II可以在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）上运行。可固化（ROMable）C/OS-II是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化手段（C编译、连接、下载和固化），C/OS-II可以嵌入到读者的产品中成为产品的一部分。可裁剪（Scalable）可以只使用C/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使用很少几个C/OS-II调用，而另一个产品则使用了几乎所有C/OS-II的功能，这样可以减少产品中的C/OS-II所需的存储器空间（RAM和ROM）。这种可剪裁性是靠条件编译实现的。C/OS的性能特点（一）6占先式（Preemptive）多任务C/OS-II可以管理64个任务，然而，目前这一版本保留8个给系统。应用程序最多可以有56个任务可确定性全部C/OS-II的函数调用与服务的执行时间具有可确定性。任务栈每个任务有自己单独的栈，C/OS-II允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对RAM的需求。系统服务C/OS-II提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。中断管理中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达255层。稳定性与可靠性C/OS的性能特点（二）7µC/OS-II图书描述了µC/OS-II内部的工作原理随书的CD中包含了源代码工业界最清晰的源代码除英文版外，有中文和韩文版ChineseKoreanEnglishISBN1-57820-103-9美国CMPBOOKISBN7-81077-290-2北京航空航天大学出版社ISBN89-951540-5-58µC/OS-II的各种商业应用全世界有数百种产品在应用:AvionicsMedicalCellphonesRoutersandswitchesHigh-endaudioequipmentWashingmachinesanddryersUPS(UninterruptiblePowerSupplies)IndustrialcontrollersGPSNavigationSystemsMicrowaveRadiosInstrumentationPoint-of-saleterminals更多9µC/OS-II提供的系统服务信号量带互斥机制的信号量减少优先级倒置的问题事件标志消息信箱消息队列内存管理时钟管理任务管理10µC/GUIandµC/FSµC/GUI嵌入式的用户界面用ANSIC书写支持任何8,16,32-bitsCPU彩色，灰、度，等级或黑白显示代码尺寸小µC/FS嵌入式的文件系统WritteninANSIC用ANSIC书写支持任何8,16,32-bitsCPU支持SMC,MMC,SD,CF,IDE,Flash,RAM其他介质11本节提要132546C/OS-Ⅱ简介C/OS-Ⅱ内核结构C/OS-Ⅱ任务通信与同步C/OS-Ⅱ任务管理C/OS-Ⅱ时间管理C/OS-Ⅱ移植12C/OS-II的文件结构13内核结构任务管理时间管理任务之间通信与同步C/OS的移植C/OS-II的内核结构14任务task典型的任务一个无限循环。voidmytask(void*pdata){for(;;){dosomething;waiting;dosomething;}}C/OS–II2.5版本支持64个任务，每个任务一个特定的优先级。优先级越高，数字越小。系统占用了8个任务，保留优先级为0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRIO-2、OS_LOWEST_PRIO-1、OS_LOWEST_PRIO-0。15任务状态16任务控制块（TCB）任务控制块OS_TCB是一个数据结构，保存该任务的相关参数，包括任务堆栈指针，状态，优先级，任务表位置，任务链表指针等。所有的任务控制块分为两条链表，空闲链表和使用链表。17µC/OS-II任务控制块.typedefstructos_tcb{OS_STK*OSTCBStkPtr;#ifOS_TASK_CREATE_EXT_EN0void*OSTCBExtPtr;OS_STK*OSTCBStkBottom;INT32UOSTCBStkSize;INT16UOSTCBOpt;INT16UOSTCBId;#endifstructos_tcb*OSTCBNext;structos_tcb*OSTCBPrev;#if(OS_Q_EN&&(OS_MAX_QS=2))||OS_MBOX_EN||OS_SEM_ENOS_EVENT*OSTCBEventPtr;#endif18#if(OS_Q_EN&&(OS_MAX_QS=2))||OS_MBOX_ENvoid*OSTCBMsg;#endifINT16UOSTCBDly;INT8UOSTCBStat;INT8UOSTCBPrio;INT8UOSTCBX;INT8UOSTCBY;INT8UOSTCBBitX;INT8UOSTCBBitY;#ifOS_TASK_DEL_ENBOOLEANOSTCBDelReq;#endif}OS_TCB;19任务控制块OS_TCB中几个成员的算法OSTCBY=priority3;OSTCBBitY=OSMapTbl[priority3];OSTCBX=priority&0x07;OSTCBBitX=OSMapTbl[priority&0x07];20空任务列表所有的任务控制块都被放置在任务控制块列表数组OSTCBTbl[]中，系统初始化时，所有任务控制块被链接成空任务控制块的单向链表，任务建立后，空任务控制块指针OSTCBFreeList指向的任务控制块就赋给了该任务，然后OSTCBFreeList的值调整为指向链表中的下一个空任务控制块。21任务控制块初始化函数INT8UOS_TCBInit(INT8Uprio,OS_STK*ptos,OS_STK*pbos,INT16Uid,INT32Ustk_size,void*pext,INT16Uopt){……}22任务级的任务调度--OSSchedC/OS是占先式实时多任务内核，优先级最高的任务一旦准备就绪，则拥有CPU的所有权开始投入运行。C/OS中不支持时间片轮转法，每个任务的优先级要求不一样且是唯一的，所以任务调度的工作就是：查找准备就绪的最高优先级的任务并进行上下文切换。C/OS任务调度所花的时间为常数，与应用程序中建立的任务数无关。23根据就绪表确定最高优先级两个关键:优先级数分解为高三位和低三位分别确定；高优先级有着小的优先级号；24根据优先级找到任务在就绪任务表中的位置每个就绪的任务都放入就绪表中（readylist）中，就绪表有两个变量：OSRdyGrp、OSRdyTbl[]OSRdyGrp1207654300XXXYYY任务优先级2017654310891514131211181617232221201926242531302928273432333938373635424041474645444350484955545352515856576362616059[0][1][2][3][4][5][6][7]OSRdyTbl[7]XY优先级最低任务（空闲任务）优先级最高任务任务优先级号25根据优先级确定就绪表（1）假设优先级为12的任务进入就绪状态，12=1100b,则OSRdyTbl[1]的第4位置1，且OSRdyGrp的第1位置1，相应的数学表达式为:OSRdyGrp|=0x02；OSRdyTbl[1]|=0x10;而优先级为21的任务就绪21=10101b，则OSRdyTbl[2]的第5位置1，且OSRdyGrp的第2位置1,相应的数学表达式为：OSRdyGrp|=0x04；OSRdyTbl[2]|=0x20;26根据优先级确定就绪表（2）从上面的计算我们可以得到:若OSRdyGrp及OSRdyBbl[]的第n位置1，则应该把OSRdyGrp及OSRdyBbl[]的值与2n相或。uC/OS中，把2n的n=0-7的8个值先计算好存在数组OSMapTbl[7]中,也就是：OSMapTbl[0]=20=0x01（00000001）OSMapTbl[1]=21=0x02（00000010）……OSMapTbl[7]=27=0x80（10000000）27使任务进入就绪态如果prio是任务是优先级，也是任务的识别号，则将任务放入就绪表，即使任务进入就绪态的方法是：OSRdyGrp|=OSMapTbl[prio3];OSRdyTbl[prio3]|=OSMapTbl[prio&0x07];假设优先级为12——1100bOSRdyGrp|=0x02；OSRdyTbl[1]|=0x10;28使任务脱离就绪态将任务就绪表OSRdyTbl[prio3]相应元素的相应位清零，而且当OSRdyTbl[prio3]中的所有位都为零时，即全组任务中没有一个进入就绪态时，OSRdyGrp的相应位才为零。If((OSRdyTbl[prio3]&=OSMapTbl[prio&0x07])==0)OSRdyGrp&=OSMapTbl[prio3];29根据就绪表确定最高优先级通过OSRdyGrp值确定高3位，假设为0x24=100100b,---〉对应OSRdyTbl[2]和OSRdyTbl[5]，高优先级为2通过OSRdyTbl[2]的值来确定低3位，假设为0x12=010010b，---〉第2个和第5个任务，取高优先级为2，则最高优先级的任务号为17OSRdyGrp0100010000010001任务优先级20176543108915141312110010001026242531302928273432333938373635424041474645444350484955545352515856576362616059[0][1][2][3][4][5][6][7]OSRdyTbl[7]XY30源代码中使用了查表法查表法具有确定的时间，增加了系统的可预测性，uC/OS中所有的系统调用时间都是确定的High3=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];Low3=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[High3]];Prio=(Hign33)