解析嵌入式操作系統(tǒng)UC/OSII的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)

　　以前在我們一般所使用的系統(tǒng)中，任務(wù)沒有優(yōu)先級(jí)之分。應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，任務(wù)函數(shù)按在代碼中的順序運(yùn)行，處理相應(yīng)的事務(wù)。時(shí)間相關(guān)性強(qiáng)的任務(wù)處理使用中斷機(jī)制，但是當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜、中斷資源有限時(shí)，中斷程序只能將處理該任務(wù)的信息條件準(zhǔn)備好后返回。當(dāng)程序按順序沒有執(zhí)行到該任務(wù)時(shí)，該任務(wù)的執(zhí)行必須等待，所以將會(huì)造成任務(wù)每次的執(zhí)行時(shí)間間隔不定，不能及時(shí)處理緊急事務(wù)，影響系統(tǒng)的運(yùn)行。這種情況在要求限定時(shí)間內(nèi)周期性處理事務(wù)的系統(tǒng)中是不允許發(fā)生的，而且只由應(yīng)用者編寫的復(fù)雜程序很可能會(huì)出現(xiàn)Bug。

　　嵌入式操作系統(tǒng)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，運(yùn)行于特定的硬件平臺(tái)上，一般包括處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口，包括操作系統(tǒng)軟件，要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作，用戶可以在其基礎(chǔ)上添加應(yīng)用程序。使用嵌入式操作系統(tǒng)的用戶只需添加所需的任務(wù)到操作系統(tǒng)中即可，既節(jié)省開發(fā)時(shí)間，又提高程序的可靠性。

　　2UC/OSII及其任務(wù)介紹

　　UC/OSII(Micro Control Operation System Two)是一種源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，程序絕大部分是用C語言寫的，帶有少量的匯編程序，并且有詳細(xì)的說明和示例，可移植性好、易調(diào)試，穩(wěn)定性與可靠性高，功能也比較完善。UC/OSII和其他大部分的嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核都是占先式內(nèi)核，被分為最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦準(zhǔn)備就緒，立刻就能得到CPU的控制權(quán)，可以剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)，處理系統(tǒng)最緊急的事務(wù)。

　　UC/OSII的任務(wù)實(shí)際是一段程序，執(zhí)行特定的功能，擁有自己的代碼和堆?？臻g(保存該任務(wù)的寄存器、返回地址和臨時(shí)參數(shù))，一般都是空函數(shù)，不會(huì)返回任何值。任務(wù)執(zhí)行一次后，設(shè)置延時(shí)參數(shù)OSTCBDly,表明在經(jīng)過OSTCBDly個(gè)時(shí)鐘周期后再次運(yùn)行，然后任務(wù)進(jìn)行切換，使其他任務(wù)運(yùn)行。

　　例如：

　　void Task(void)

　　{ 參數(shù)定義

　　for(;;) {

　　任務(wù)執(zhí)行代碼

　　OSTimeDly( ) 延時(shí)函數(shù) ;清除任務(wù)就緒標(biāo)志，設(shè)置延時(shí)的時(shí)鐘周期參數(shù)，調(diào)用OSSched( )進(jìn)行任務(wù)調(diào)度

　　} }

　　3UC/OSII的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　(1) 任務(wù)控制塊OS_TCB

　　(2) 任務(wù)就緒表OSRdyTbl[]和OSRdyGrp

　　每個(gè)任務(wù)的就緒狀態(tài)標(biāo)志都放入就緒表中(如圖1所示)，OSRdyTbl[ ]中的每一位為1表示相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，OSRdyGrp中的每一位為1，表示每8個(gè)為一組的任務(wù)中至少有1個(gè)已經(jīng)就緒，值越小優(yōu)先級(jí)越高。

　　4UC/OSII內(nèi)核的運(yùn)行機(jī)制

　　任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有時(shí)鐘，他是計(jì)算機(jī)世界的時(shí)間，通過定時(shí)器的定時(shí)中斷，產(chǎn)生時(shí)間間隔，每個(gè)間隔是任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間周期，在一個(gè)間隔內(nèi)所有應(yīng)該執(zhí)行的任務(wù)都應(yīng)執(zhí)行一次，不能因?yàn)闀r(shí)間間隔太小而有的任務(wù)沒有時(shí)間執(zhí)行。因此，任務(wù)的多少、時(shí)間周期的確定、CPU的選擇需仔細(xì)考慮，確保在一個(gè)周期內(nèi)CPU任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間所占比重不要太大。

　　主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，給各個(gè)參數(shù)賦值，根據(jù)任務(wù)的多少來建立任務(wù)控制塊鏈表，并且首先建立一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的空閑任務(wù)，當(dāng)沒有其他任務(wù)需要運(yùn)行時(shí)，對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行累加計(jì)算來計(jì)算空閑時(shí)間。任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)分配的一塊內(nèi)存，保存寄存器的值和該任務(wù)的代碼地址，再把堆棧的地址存入任務(wù)控制塊，從而把任務(wù)程序代碼、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊聯(lián)系在一起。操作系統(tǒng)內(nèi)核可以通過任務(wù)控制塊找到任務(wù)堆棧，從堆棧中取得任務(wù)代碼地址。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　任務(wù)的切換發(fā)生在2個(gè)時(shí)候，第1個(gè)是當(dāng)某一任務(wù)運(yùn)行完畢時(shí)就調(diào)用延時(shí)函數(shù)，使自身延時(shí)一個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)行任務(wù)切換，運(yùn)行就緒的最高優(yōu)先級(jí)最高任務(wù);第2個(gè)是每一次時(shí)鐘周期中斷后，中斷程序處理事務(wù)時(shí)，可能使一些任務(wù)運(yùn)行準(zhǔn)備就緒，然后重新整理和搜索任務(wù)就緒表，進(jìn)行任務(wù)切換(如圖3所示)，選出其中的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行。

　　嵌入式操作系統(tǒng)是多任務(wù)的，任務(wù)切換是其核心技術(shù)，由匯編語言編寫。任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW( )被設(shè)置成中斷函數(shù)，調(diào)用時(shí)使用的是軟件中斷指令，這樣在進(jìn)入中斷程序之前，當(dāng)前任務(wù)的代碼地址和狀態(tài)字就自動(dòng)保存在當(dāng)前任務(wù)的堆棧頂部。下面用8086的程序舉例切換函數(shù)：

　　(1) _OS_TASK_SW(或_OSIntCtxSw)PROC FAR中斷程序。

　　(2) PUSH指令該指令針對(duì)_OS_TASK_SW，保存當(dāng)前任務(wù)寄存器到該任務(wù)的堆棧，代碼地址已經(jīng)保存。

　　(3) ADD SP，n該指令針對(duì)_OSIntCtxSw，因?yàn)樵摵瘮?shù)由中斷程序調(diào)用，運(yùn)行他之前曾調(diào)用一些函數(shù)，堆棧發(fā)生變化，所以需要調(diào)整，去掉前幾個(gè)函數(shù)的保存地址和參數(shù)，而代碼地址在發(fā)生中斷時(shí)就已經(jīng)保存。

　　(4) 保存該任務(wù)的當(dāng)前堆棧地址到該任務(wù)控制塊OS_TCB，即保存SS和SP。

　　(5) 調(diào)入已就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)控制塊，取出其原來保存的任務(wù)堆棧地址，即賦值給SS和SP。

　　(6) POP指令恢復(fù)新任務(wù)的寄存器。

　　(7) IRET中斷指令返回時(shí)，CPU從堆棧頂部即SS:SP指向的位置取出以前所保存的代碼地址和狀態(tài)字，并從此地址恢復(fù)原來任務(wù)的運(yùn)行。

　　5程序舉例

　　一個(gè)最簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)8086程序例子：在主程序運(yùn)行完畢后，各任務(wù)開始輪流執(zhí)行。

　　6結(jié)語

　　UC/OSII還有時(shí)間管理、內(nèi)存分配的功能，并且使用了信號(hào)量、郵箱和信息隊(duì)列，使各任務(wù)之間可以互相通訊，協(xié)調(diào)對(duì)各種事務(wù)的管理，適用于小型的高端CPU。已經(jīng)有許多公司以其為核心，進(jìn)行功能擴(kuò)展，從而開發(fā)自己的嵌入式操作系統(tǒng)，并且由于其代碼簡(jiǎn)練，JEAN J.LABROSSE專門寫書對(duì)其講解，也可以非常好地用于教學(xué)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1](美)Jean Labrosse J. UC/OSII源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001

　　[2](美)Jean Labrosse J.嵌入式系統(tǒng)構(gòu)件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

　　[3](美)Maurice Bach JUNIX操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

　　[4] 屠立德操作系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000