細(xì)說μC/OS-II

μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)自1998年推出以來，因其方便移植、代碼量小、實時性強、可靠性高、內(nèi)核可剪裁等優(yōu)點，成為我國計算機嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域最受喜愛的實時操作系統(tǒng)(Real-Time Opreating System)之一。由于其源碼開源，至今，已經(jīng)成功在諸多廠家的MCU上移植并應(yīng)用在各行各業(yè)的電子產(chǎn)品之中，因而備受矚目。此文幫助有意向?qū)W習(xí)μC/OS-II的初學(xué)者全面的、系統(tǒng)的了解實時系統(tǒng)的核心思想，也為正在學(xué)習(xí)μC/OS-II的童鞋們理清思路，更上層樓。

什么是μC/OS-II?

μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間通信與同步等基本功能。

如何實現(xiàn)多任務(wù)?

在μC/OS-II系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，1個任務(wù)就是一個死循環(huán)，特殊情況是，有的任務(wù)執(zhí)行1次后直接銷毀自己。既然是死循環(huán)如何實現(xiàn)多任務(wù)呢?這就涉及到一個完整的任務(wù)調(diào)度機制，簡單來說，就是給每個任務(wù)設(shè)置合適的優(yōu)先級，CPU只有一個，優(yōu)先級高的任務(wù)可以搶占優(yōu)先級低的任務(wù)，而獨占CPU。在μC/OS-II中，系統(tǒng)可以管理64個任務(wù)，有8個任務(wù)預(yù)留給系統(tǒng)，用戶最多可以創(chuàng)建56個任務(wù)，而實質(zhì)上用戶不應(yīng)該創(chuàng)建過多的任務(wù)，因為這樣的話，優(yōu)先級最低的任務(wù)可能無法得到執(zhí)行。

何時執(zhí)行任務(wù)調(diào)度

簡單來說，高優(yōu)先級的就緒任務(wù)發(fā)生時，會搶占低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，這時系統(tǒng)就會自動執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。在任務(wù)銷毀時，掛起時，延時時，中斷退出時都會啟動任務(wù)調(diào)度。

這里舉個例子，假如下面這段程序具有2個用戶任務(wù)LED1_TASK，和KEY_TASK。KEY_TASK的任務(wù)優(yōu)先級較高，這段程序無法實現(xiàn)預(yù)期的功能，會出現(xiàn)什么問題呢?

LED閃燈任務(wù)無法得到執(zhí)行，因為程序一直的執(zhí)行按鍵掃描，其優(yōu)先級較高(這里假定沒有中斷發(fā)生)一直在獨占CPU，而沒有釋放，也就是無法執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，在LED任務(wù)中，調(diào)用OSTimeDly()函數(shù)的同時，LED任務(wù)即被掛起，交出CPU的控制權(quán)，同時執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)會選擇一個處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)來執(zhí)行。

舉上面這個例子是為了說明任務(wù)調(diào)度是在一定情況下發(fā)生的，因為是搶占式的，為了讓低優(yōu)先級的任務(wù)得到執(zhí)行，高優(yōu)先級任務(wù)必須在適當(dāng)?shù)那闆r下交出CPU，如果在KEY_TASK任務(wù)中，在獲取按鍵信息后面調(diào)用OSTimeDly()函數(shù)，即可使LED閃燈任務(wù)得到執(zhí)行。

關(guān)于中斷

中斷在實時操作系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，所以中斷程序的設(shè)計無疑是編程的要點及難點，在多任務(wù)實時操作系統(tǒng)中，不同的中斷任務(wù)被安排不同的優(yōu)先級，在允許中斷嵌套的情況下，最高優(yōu)先級的中斷總能得到及時響應(yīng)。中斷級的任務(wù)可以看成是比最高優(yōu)先級的任務(wù)級任務(wù)的優(yōu)先級還要高。在用戶中斷服務(wù)程序內(nèi)部，要盡可能的縮短代碼量，不要做耗時的操作，正確的做法是調(diào)用任務(wù)級任務(wù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

同樣，問題來了，在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)某個任務(wù)級任務(wù)就緒，是否立即進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，答案是否定的，因為任務(wù)級任務(wù)的優(yōu)先級不夠，需等待中斷服務(wù)程序退出，那系統(tǒng)如何知道中斷服務(wù)程序是否結(jié)束了呢，這就需要的中斷程序內(nèi)部調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSIntExit();以此來觸發(fā)任務(wù)調(diào)度。

硬實時與軟實時

這里說一下硬實時與軟實時的區(qū)別，能夠在指定的期限完成實時任務(wù)(即便在最壞的處理負(fù)載下也能如此)的操作系統(tǒng)稱為硬實時系統(tǒng)。但并不是任何情況下都需要硬實時支持。如果操作系統(tǒng)在平均情況下能支持任務(wù)的執(zhí)行期限，則稱它為軟實時系統(tǒng)。

RTOS的優(yōu)勢是硬實時控制，硬實時不是指“快”，而是指可精確預(yù)測可控制，能保證在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)。因為執(zhí)行時間可預(yù)測，所以當(dāng)你想快時，只要選一個速度合適的CPU即可，這個需要的速度在μC/OS-II系統(tǒng)中是可以精確算出來的。軟實時系統(tǒng)的時限是一個柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重。

舉個例子，汽車發(fā)生危險時，汽車氣囊彈出必須在一定時間內(nèi)完成，晚一秒都會造成致命傷害(硬實時)。而在圖像傳輸過程中，偶爾丟失1幀圖像數(shù)據(jù)是可以容忍的(軟實時)。

任務(wù)同步與數(shù)據(jù)通信

毫無疑問，任務(wù)之間都不是相互割裂的，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)或者信息的交互，為此，μC/OS-II系統(tǒng)提供了用于任務(wù)間通信的手段。任務(wù)之間可以通過信號量，事件標(biāo)志組，消息郵箱，消息隊列進(jìn)行同步。而數(shù)據(jù)通信最簡單的方式是采用全局變量來共享資源，這里面涉及到保障數(shù)據(jù)可靠性的問題，比如，當(dāng)一個任務(wù)正在讀數(shù)據(jù)的時候，還沒有讀完，這時一個中斷觸發(fā)高級別的任務(wù)運行，高級別的任務(wù)要更新數(shù)據(jù)，這就會導(dǎo)致低級別任務(wù)讀出來的數(shù)據(jù)是錯誤的。未解決此問題，可以采用關(guān)中斷、關(guān)調(diào)度、使用互斥信號量、使用計數(shù)信號量來解決，關(guān)中斷與關(guān)調(diào)度比較生硬，也違反了系統(tǒng)的實時性設(shè)計原則，因此推薦使用互斥信號量來解決，所謂互斥信號量，相當(dāng)于一個鑰匙，鑰匙只有一個，當(dāng)一個任務(wù)要訪問該資源時，必須先取得該鑰匙。

時鐘節(jié)拍

μC/OS-II需要用戶提供一個周期性的中斷來實現(xiàn)延時和超時等操作，這個周期性的時鐘叫“時鐘節(jié)拍”，其頻率范圍通常在10~1000Hz之間。時鐘節(jié)拍的頻率大小取決于對定時精度的要求，頻率越高，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)越重。

問題：時鐘節(jié)拍是否是μC/OS-II中必不可少的?沒有時鐘節(jié)拍系統(tǒng)是否能夠工作?

答案是：沒有時鐘節(jié)拍，系統(tǒng)照樣可以工作，只是無法進(jìn)行延時或者超時判斷，無法調(diào)用延時函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，但是仍然有其它方法可以進(jìn)行任務(wù)切換。