UCOS-II培训

1内容介绍1、介绍uC/OS-II嵌入式操作系统2、基于uC/OS-II的用电管理终端软件的设计书籍：《嵌入式实时操作系统uC/OS-II》作者：JeanLabrosseuC/OS-IIV2.52通过了美国航空航天管理局（FAA）的安全认证；安全性、可靠性是得到认证的。我们为什么会选择uC/OS-II嵌入式操作系统？1、与终端硬件平台相适应全部源代码5500行，可裁减定制，生成的可执行代码占15～20k,可以移植到多种系列单片机上，包括ARM；2、考虑成本，免费的源代码公开；3、uC/OS-II代码简单，容易掌握和使用；具有多任务调度的基本功能；uC/OS-II嵌入式操作系统的缺点：1、缺少技术支持，相关的支持软件少；2、和商业软件比，功能较弱（如不支持时间片轮转，最大任务数为64等）；对应用开发的支持不够；2uC/OS内核介绍和基于RTOS的设计介绍一、概述使用嵌入式RTOS的优点1将复杂的系统分解为多个相对独立的任务，采用“分而治之”的方法降低系统的复杂度。通过将应用程序分割成若干独立的任务，RTOS使得应用程序的设计过程大为简化；2使得应用程序的设计和扩展变得容易，无需较大的改动就可以增加新的功能；3用户给系统增加一些低优先级的任务，则用户系统对高优先级的任务的响应时间几乎不受影响；4实时性能得到提高。使用可剥夺型内核，所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷有效的处理；5通过有效的服务，如信号量、邮箱、队列、延时及超时等，RTOS使资源得到更好的利用；使用嵌入式RTOS的缺点1使用RTOS增加了系统的内存和CPU等使用开销，例如任务之间的通讯、RTOS的调度程序等；2需要采用一些新的软件设计方法，对系统设计人员的要求高一些。例如驱动程序的设计要考虑到共享资源的互斥问题；3系统任务的划分是比较复杂的过程，需要设计人员对业务和RTOS操作系统都很熟悉。uC/OS操作系统的特点uC/OS是一个完成的，可移植、可固化、可裁减的抢占式实时多任务操作系统内核。主要用ANSI的C语言编写，少部分代码是汇编语言。uC/OS主要有以下特点：1、可移植性可以移植到多个CPU上，包括三菱单片机。2、可固化可以固化到嵌入式系统中3、可裁减可以定制uC/OS，使用少量的系统服务4、可剥夺性uC/OS是完全可剥夺的实时内核，uC/OS总是运行优先级最高的就绪任务。5、多任务运行uC/OS可以管理最多64个任务。不支持时间片轮转调度法，所以要求每个任务的优先级不一样。6、可确定性uC/OS的函数调用和系统服务的执行时间可以确定。37、任务栈每个任务都有自己的单独的栈，而且每个任务栈空间的大小可以不一样。8、系统服务uC/OS有很多系统服务，如信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、时间管理等等。二、uC/OS内核介绍基本概念1、前后台系统也称为超循环系统。应用程序是一个无限的循环，循环中实现相应的操作，这部分看成后台行为。用中断服务程序处理异步事件，处理实时性要求很强的操作，这部分可以看成前台行为。2、共享资源可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。3、任务：一个任务是一个线程，一般是一个无限的循环程序。一个任务可以认为CPU资源完全只属于自己。任务可以是以下五种状态之一：休眠态，就绪态，运行态，挂起态和被中断态。uC/OS-II提供的系统服务可以使任务从一种状态变为另一种状态。4、任务切换：任务切换就是上下文切换，也是CPU寄存器内容切换。当内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态（CPU寄存器的内容）到任务自己的栈区。入栈完成后，就把下一个将要运行的任务状态从该任务的栈中重新装入CPU寄存器，并开始下一个任务的运行，这个过程叫做任务切换。5、内核多任务系统中内核负责管理和调度各个任务，为每个任务分配CPU时间，并负责任务间的通信。内核总是调度就绪态的优先级最高的任务。内核本身增加了系统的额外负荷，因为内核提供的服务需要一定的执行时间。6、可剥夺型内核uC/OS－II以及绝大多数商业实时内核都是可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪，就抢占运行着的低优先级的任务，得到CPU的使用权。7、可重入函数：可以被多个任务调用，并且不用担心数据会被破坏的函数。8、优先级反转优先级反转问题是使用实时内核系统中出现最多的问题。描述如下：假设当前系统有任务3在运行，并且低优先级的任务3占用了共享资源，而高优先级任务1就绪得到CPU使用权后，也要使用任务3占用的共享资源，任务1只能挂起等待任务3使用完共享资源。任务3继续运行时，优先级在任务1和任务3之间的任务2就绪并抢占了任务3的CPU使用权，直到运行完后才把CPU使用权还给任务3。任务3继续运行，在释放了共享资源后任务1才得以运行。这样，任务1实际上降到了任务3优先级的水平。这种情况就4是优先级反转问题。uC/OS-II中，可以利用互斥信号量来这个解决。9、互斥方法使用共享数据结构进行任务间通信时，要求对其进行互斥。保证互斥的方法有：关中断、使用测试变量、禁止任务切换和利用信号量。10、同步可以利用信号量使任务与任务，任务与ISR之间同步。任务之间没有数据交换。11、事件标志：当任务要与多个事件同步时，需要使用事件标志(eventflag)。事件标志同步分为独立型同步（逻辑“或”关系）和关联型同步（逻辑“与”关系）。12、任务间通信：任务间信息的传递有两个途径，通过全局变量或者通过内核发消息给另一个任务。通过内核服务发送的消息包括：消息邮箱、消息队列。任务或者ISR可以把一个指针放到消息邮箱中，让另一个任务接收。消息队列实际上是邮箱阵列。13、时钟节拍：是特定的周期性的定时器中断。时钟节拍是系统的心脏脉动，提供周期性的信号源，是系统进行任务调度的频率依据和任务延时依据。时钟节拍越快，系统开销就越大。我们移植过程中采用的方法：初始化定时器TA0,周期是20ms,作为操作系统时钟节拍。uC/OS-II内核结构1、uC/OS-II是以源代码形式提供的实时操作系统内核，其包含的文件结构如下：应用软件（用户代码）uC/OS-II内核文件(与处理器类型无关的代码)OS_CORE.COS_TASK.COS_FLAG.COS_TIME.COS_MBOX.CuCOS-II.COS_MEM.CuCOS-II.HOS_MUTEX.COS_SEM.COS_Q.CuC/OS-II配置文件(与应用程序有关)OS_CFG.HINCLUDES.H移植uC/OS-II（与处理器类型有关的代码）OS_CPU.HOS_CPU_C.COS_CPU_A.ASMCPU定时器图1、uC/OS-II的文件结构软件硬件5说明：基于uC/OS-II操作系统进行应用系统时，设计任务的主要任务是将系统合理划分成多个任务，并由RTOS进行调度，任务之间使用uC/OS-II提供的系统服务进行通信，以配合实现应用系统的功能。上图中应用代码部分主要是设计人员设计的业务代码。与前后台系统一样，基于uC/OS-II的多任务系统也有一个main主函数，main函数由编译器所带的C启动程序调用。在main主函数中主要实现uC/OS-II的初始化OSInit()、任务创建、一些任务通信方法的创建、uC/OS-II的多任务启动OSStart()等常规操作。另外，还有一些应用程序相关的初始化操作，例如：硬件初始化、数据结构初始化等。在使用uC/OS-II提供的任何功能之前，必须先调用OSInit()函数进行初始化。在main主函数中调用OSStart()启动多任务之前，至少要先建立一个任务。否则应用程序会崩溃。OSInit()初始化uC/OS-II所有的变量和数据结构，并建立空闲任务OS_TaskIdle()，这个任务总是处于就绪态。例子：一个典型的应用程序main主函数如下voidmain(void)｛/*-----硬件初始化，等用户代码初始化-----*/init_mcu();init_lcd();init_hdtimer();OSInit();/*初始化uC/OS-II*/…/*通过调用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()创建至少一个任务；*/OSTaskCreate(sample_Task,(void*)0,&sample_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],2);…/*通过调用OSSemCreate()创建信号量等任务通信方式；*/CalcSem=OSSemCreate(0);…OSStart();/*开始多任务调度！OSStart()永远不会返回*/｝6调用OSStart()后，uC/OS-II就运行main函数所创建任务中优先级最高的一个就绪任务。用户应该在uC/OS-II启动运行后的第1个任务中调用时钟节拍启动函数。在uC/OS-II移植到M16C62的过程中实现了函数init_timer_ta0(),来初始化时钟TA0。本文后面有关部分讨论了时钟节拍的问题。上例中如果创建了多个（n个）任务，在main函数调用OSStart()后，操作系统就启动了多任务调度，接管了CPU和其他资源的使用权，负责为每个任务分配CPU使用权和使用时间，同时对共享资源进行管理。从宏观上看，整个系统就象有多个执行的程序并行运行，每个程序都是无限循环的main函数。如下图所示：文件OS_CFG.H是与应用程序有关的配置文件，主要是对操作系统进行设置。包括：设置系统的最多任务数OS_MAX_TASKS；最多事件控制块设置OS_MAX_EVENTS；堆栈方向的设置OS_STK_GROWTH（1为递减、0为递增）；是否支持堆栈检验OS_TASK_CREATE_EXT；是否支持任务统计OS_ASK_STAT_EN；是否支持事件标志组OS_FLG_EN…等等。文件INCLUDES.H是主控头文件，包含了整个系统需要的所有头文件。包括操作系统……..……..ISR1ISR2…….ISRnmain1()Main2()Main3()Main5()Main4()Main_n()图2由多个任务和多个中断组成的实时多任务系统7的头文件和用户设计的应用系统的头文件。OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM等文件是与移植uC/OS-II有关的文件，包含了与处理器类型有关的代码。这几个文件的介绍参见何博士的uC/OS-II移植文档。2、uC/OS-II内核体系结构图uC/OS-II内核主要对用户任务进行调度和管理，并为任务间共享资源提供服务。包含的模块有任务管理、任务调度、任务间通信、时间管理、内核初始化等。uC/OS-II内核体系结构如下所示：3、任务状态及其转换关系在多任务系统中，任务是设计者实现应用系统的基本形式，也是uC/OS-II系统进行调度的基本单元。任务可以是一个无限的循环，也可以在一次执行后被操作系统删除。任务函数和任何C函数一样，具有一个返回类型和一个参数，但是它决不返回。任务必须是以下2种结构之一：多任务应用程序任务1任务2任务3任务n………任务调度任务切换OS_TASK_SW()OSIntCtxSw()内存管理任务堆栈定时器CPURAM任务间通信任务管理ISRISR任务创建任务控制块任务删除信号量互斥信号量事件标志组事件控制块消息邮箱消息队列串行I/OISR时间管理时钟节拍挂起任务恢复任务uC/OS-II启动OSStart任务延时任务延时恢复ROMuC/OS-II初始化OSInit中断服务硬件操作系统应用程序图3、uC/OS-II内核体系结构8voidYourTask(voidpdata){for(;;){/*用户代码*/}}或voidYourTask(void*pdata){/*用户代码*/OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);}在任一给定的时刻，uC/OS-II的任务状态只能是以下5种之一：睡眠态：指任务驻留在程序空间（ROM或RAM），还没有交给uC/OS-II来管理。通过创建任务将任务交给uC/OS-II。任务被删除后就进入睡眠态。就绪态：任务创建后就进入就绪态。任务的建立可以在多任务运行之前，也