UC/OS II嵌入式技術(shù)

uCOS II簡介

u C / O S 是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)。

μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的5 月和6 月刊上刊登的文章連載，并把μC/OS 的源碼發(fā)布在該雜志的B B S 上。

μC/OS 和μC/OS-II 是專門為計算機的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的， 絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU 硬件相關(guān)部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU 上。用戶只要有標準的ANSI 的C交叉編譯器，有匯編器、連接器等軟件工具，就可以將μC/OS-II嵌人到開發(fā)的產(chǎn)品中。μC/OS-II 具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點， 最小內(nèi)核可編譯至 2KB 。μC/OS-II 已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU 上。

嚴格地說uC/OS-II只是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實現(xiàn)。

uC/OS-II目標是實現(xiàn)一個基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式的實時內(nèi)核，并在這個內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量，郵箱，消息隊列，內(nèi)存管理，中斷管理等。

任務(wù)管理

uC/OS-II 中最多可以支持64 個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0 為最高優(yōu)先級。63為最低級，系統(tǒng)保留了4個最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個最低優(yōu)先級的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個。

uC/OS-II提供了任務(wù)管理的各種函數(shù)調(diào)用，包括創(chuàng)建任務(wù)，刪除任務(wù)，改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，任務(wù)掛起和恢復(fù)等。

系統(tǒng)初始化時會自動產(chǎn)生兩個任務(wù)：一個是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，改任務(wù)僅給一個整形變量做累加運算;另一個是系統(tǒng)任務(wù)，它的優(yōu)先級為次低，改任務(wù)負責(zé)統(tǒng)計當(dāng)前cpu的利用率。

時間管理

uC/OS-II的時間管理是通過定時中斷來實現(xiàn)的，該定時中斷一般為10毫秒或100毫秒發(fā)生一次，時間頻率取決于用戶對硬件系統(tǒng)的定時器編程來實現(xiàn)。中斷發(fā)生的時間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個時鐘節(jié)拍。

uC/OS-II要求用戶在定時中斷的服務(wù)程序中，調(diào)用系統(tǒng)提供的與時鐘節(jié)拍相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，例如中斷級的任務(wù)切換函數(shù)，系統(tǒng)時間函數(shù)。

內(nèi)存管理

在ANSI C中是使用malloc和free兩個函數(shù)來動態(tài)分配和釋放內(nèi)存。但在嵌入式實時系統(tǒng)中，多次這樣的錯作會導(dǎo)致內(nèi)存碎片，且由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc和free的執(zhí)行時間也是不確定。

uC/OS-II中把連續(xù)的大快內(nèi)存按分區(qū)管理。每個分區(qū)中包含整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間的內(nèi)存快大小可以不同。用戶需要動態(tài)分配內(nèi)存時，系統(tǒng)選擇一個適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來分配內(nèi)存。釋放內(nèi)存時將該塊放回它以前所屬的分區(qū)，這樣能有效解決碎片問題，同時執(zhí)行時間也是固定的。

任務(wù)間通信與同步

對一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)來說，任務(wù)間的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4中同步對象，分別是信號量，郵箱，消息隊列和事件。所有這些同步對象都有創(chuàng)建，等待，發(fā)送，查詢的接口用于實現(xiàn)進程間的通信和同步。

任務(wù)調(diào)度

uC/OS-II 采用的是可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核。可剝奪型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。

uC/os-II的任務(wù)調(diào)度是完全基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的處理器資源。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，uC/OS-II規(guī)定所有任務(wù)的優(yōu)先級不同，因為任務(wù)的優(yōu)先級也同時唯一標志了該任務(wù)本身。

任務(wù)調(diào)度將在以下情況下發(fā)生：

1) 高優(yōu)先級的任務(wù)因為需要某種臨界資源，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度也稱為任務(wù)級的上下文切換。

2) 高優(yōu)先級的任務(wù)因為時鐘節(jié)拍到來，在時鐘中斷的處理程序中，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)獲得了執(zhí)行條件(如休眠的時鐘到時)，則在中斷態(tài)直接切換到高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級的上下文切換。

這兩種調(diào)度方式在uC/OS-II的執(zhí)行過程中非常普遍，一般來說前者發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)中，后者發(fā)生在時鐘中斷的服務(wù)程序中。

調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實現(xiàn)的。u C / O S 中的每一個任務(wù)都有獨立的堆?？臻g，并有一個稱為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy 記錄當(dāng)前最高級就緒任務(wù)的TCB 地址，然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)來進行任務(wù)切換。

μC/OS-II的組成部分

μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個部分。

1) 核心部分(OSCore.c)

是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運行、中斷進出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

2) 任務(wù)處理部分(OSTask.c)

任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因為μC/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

3) 時鐘部分(OSTime.c)

μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick(時鐘節(jié)拍)。任務(wù)延時等操作是在這里完成的。

4) 任務(wù)同步和通信部分

為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分;主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

5) 與CPU的接口部分

是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統(tǒng)，所以對于關(guān)鍵問題上的實現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實現(xiàn)、時鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。