如何安裝實時操作系統(tǒng)RTOS

如何安裝實時操作系統(tǒng)RTOS要想最大限度地發(fā)揮ZynqAllProgrammableSoC的優(yōu)勢，您需要一款操作系統(tǒng)。本文將介紹如何安裝實時操作系統(tǒng)——這里特指μC/OS-III。要想從最大限度地發(fā)揮賽靈思Zynq?-7000AllProgrammableSoC處理系統(tǒng)的地優(yōu)勢，采用操作系統(tǒng)肯定比使用簡單的物理硬件解決方案更加有效。ZynqSoC設計的開發(fā)人員有很多種操作系統(tǒng)可供選擇，可以根據(jù)最終應用選擇實時操作系統(tǒng)。如果您正在多個應用領域需要快速響應和可靠性能來避免損失或?qū)崿F(xiàn)嚴格性能目標的極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中使用ZynqSoC，那么RTOS無疑是您的最佳選擇。我們將利用最流行的實時操作系統(tǒng)之一，Micrium的μC/OS-III來演示如何以最佳方式將RTOS添加到ZynqSoC系統(tǒng)中。RTOS或其早期版本已被用于包括好奇號火星探測器在內(nèi)的多種激動人心的系統(tǒng)中。RTOS的最新版本目前正在進行MISRA-C、DO178BA級、SIL3/4和IEC61508標準的認證，這意味著它將吸引廣泛ZynqSoC用戶的目光。但是在介紹具體實現(xiàn)方法之前，我們先回顧一下實時操作系統(tǒng)的基本知識，這對此很有幫助。什么是實時操作系統(tǒng)？

實時操作系統(tǒng)與標準操作系統(tǒng)有什么區(qū)別？實時操作系統(tǒng)是確定的，意思是指系統(tǒng)需要在明確的截止時間內(nèi)做出響應。這種確定性很重要，其原因有多種，例如，如果最終應用正在監(jiān)控工業(yè)流程，那么必須在特定時段內(nèi)對事件做出響應，工業(yè)控制系統(tǒng)就屬于這類情況。可根據(jù)滿足截止時間的能力對RTOS進一步分類為三種不同類型的RTOS，每種類型都以不同方式滿足截止時間。在hardRTOS中，錯過截止時間被視為系統(tǒng)錯誤。而對于firmRTOS就不是這樣，偶爾錯過截止時間是可以接受的。在softRTOS中，錯過一次截止時間會減少結果的有效性，但系統(tǒng)在整體上對此是可以接受的。實時操作系統(tǒng)以運行任務（有時稱為進程）為核心，每項任務執(zhí)行規(guī)定的功能。例如，某個任務可能通過接口讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)執(zhí)行某種操作。簡單的系統(tǒng)可能只運行一項任務，但更多情況下處理器上會同時運行多項任務。這些任務間的轉(zhuǎn)換被稱為“上下文切換”，它要求將與每項任務關聯(lián)的處理器狀態(tài)存儲并添加到任務棧中。采用分時法，每個任務都會獲得處理器上的一個專用時間檔，而更高優(yōu)先級的任務還可分配多個時間檔。下一步運行哪項任務將由內(nèi)核來控制。該內(nèi)核是RTOS的核心，用來管理軟件的輸入與輸出請求，并將它們轉(zhuǎn)換為處理器中央處理單元和功能元件能識別的數(shù)據(jù)處理指令。任務調(diào)度可能比較復雜，尤其是當需要避免死鎖（指兩個或更多任務相互鎖定）時更是如此。兩種基本調(diào)度方法分別是分時法和事件驅(qū)動法。采用分時法，每項任務都會獲得處理器上的一個專用時間檔，而更高優(yōu)先級的任務還可分配多個時間檔。時間分段通過定期中斷或定時器進行控制，這種方法通常被稱為“輪詢調(diào)度”。而采用事件驅(qū)動方案，只有當具有更高優(yōu)先級的任務需要運行時才會進行任務切換。這種方法通常稱為“搶先式調(diào)度”。死鎖、資源共享和互斥等待

當兩個或兩個以上進程（例如UART、ADC或DAC）需要使用相同資源時，它們可以同時對該資源提出請求。這種情況下，應對訪問進行控制以防出現(xiàn)爭用現(xiàn)象。如何對此進行管理非常重要，若不采用正確的管理方法，就會出現(xiàn)“死鎖”或“互斥等待”這樣的問題，從而導致系統(tǒng)錯誤。當某個進程占用一種資源且無法將其釋放時，就會出現(xiàn)死鎖，因為在這種情況下無法完成該項任務。該進程需要使用當前被另一進程占用的另一種資源。由于系統(tǒng)無限期地處于這種狀態(tài)，因此可以說應用程序已被鎖死。可以想象，死鎖對于實時操作系統(tǒng)來說是非常不好的。當某個進程因為所需要的資源總是被分配給其它進程而無法運行時，就會發(fā)生互斥等待。多年來，已經(jīng)有很多關于這類主題的文章和資料，也推薦了很多解決方案，對此您可能并不會感到意外，例如Dekker算法，這是一種用于并行程序中互斥問題的經(jīng)典解決方法。處理這類情況的最常用方法是信號量法，通常分為二進制信號量和計數(shù)信號量這兩種類型。通常，為每種資源會分配一個二進制信號量。請求進程會在任務執(zhí)行之前等待資源變?yōu)榭捎觅Y源。一旦任務完成，請求進程就會釋放該資源。這些信號量通常被稱為等待(WAIT)和發(fā)信號(SIGNAL)操作。進程首先等待信號量。如果資源閑置，進程將被賦予該資源的控制權，并運行直到完成，此時進程會發(fā)出完成信號。但是，如果進程在等待信號量時資源已被占用，那么進程將會被暫停直到該資源被釋放為止。當前正在執(zhí)行的進程一旦完成，暫停狀態(tài)就會立刻終止，但如果具備更高優(yōu)先級的進程搶先占用該資源，那么就需要等待更長的時間。通常使用名為互斥鎖(mutexes)的特殊二進制信號量來防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的發(fā)生（mutexes一詞源于“mutualexclusion”）。計數(shù)信號量的工作方式與二進制信號量相同，但是只有當特定資源類型有一個以上的實例時才會使用計數(shù)信號量（例如數(shù)據(jù)存儲）。由于每個資源都被分配到一個進程中，因此計數(shù)數(shù)值會減少以顯示剩余的可用資源數(shù)量。當數(shù)值減至為零時可用資源就沒有了，同時提出請求的進程就會被暫停，直到有一種資源被釋放為止。不同進程之間經(jīng)常進行通信是很有必要的。有以下幾種方法可供使用，其中最簡單的方法是按如上所訴的方式使用數(shù)據(jù)存儲和信號量。更為復雜的技術包括消息隊列。采用消息隊列，當一個進程需要向另一個進程發(fā)送信息時，它會向隊列POST一條消息。當一個進程需要從隊列中接收消息時，它會PEND隊列。因此，消息隊列的工作原理就像FIFO（先入先出）存儲器一樣。μC/OS-III操作系統(tǒng)

Micrium的μC/OS-III是一種優(yōu)先式RTOS，意思是指它總是運行已做好執(zhí)行準備并具有最高優(yōu)先級的任務。要想將該操作系統(tǒng)添加到您的ZynqSoC系統(tǒng)設計中，第一步需要從Micrium網(wǎng)站下載μC/OS-IIIRTOS。下載后，安裝工作非常簡單。您只需要將一些ZIP文件解壓到電腦上賽靈思安裝程序中的正確文件夾（路徑）。應確保將名為Zynq-7000-ucosiii-bsp.zip的ZIP文件解壓到\\ISE_DS\EDK\sw\lib\bsp\文件夾。您會在此文件夾下看到一些其它操作系統(tǒng)，包括獨立系統(tǒng)和xilkernel。隨后，如圖1所示，將名為Zynq-7000-ucosiii-demo.zip的ZIP文件解壓到\\ISE_DS\EDK\sw\lib\sw_apps\文件夾。您會在此文件夾內(nèi)看到一些其它應用的演示。安裝完這兩組文件后，我們就可以在軟件開發(fā)套件(SDK)中創(chuàng)建項目。我們將會使用之前創(chuàng)建的相同基礎硬件，但由于想添加該操作系統(tǒng)，因此還需要一個新的應用程序和板支持包(BSP)。在SDK中，應關閉基礎硬件設計外所有已打開的項目。下一步選擇File>New>ApplicationProject選項，命名新項目并選擇操作系統(tǒng)μC/OS-III（見圖2）。然后選擇用于μC/OS-III的演示程序（見圖3）。完成后，點擊Finish按鈕。在SDK中將會創(chuàng)建應用和板支持包（如選擇該項）。如果您選擇了AutoBuild選項，會發(fā)現(xiàn)若干錯誤報告。這是因為并不是所有項目參考都是正確的。要設定這些項目參考，您需要導入在Project>Src>Settings選項中找到的演示設置。右擊XML文件并查看屬性。這樣便可選擇并復制文件位置，如圖4所示。位置復制后，右擊項目并選擇屬性。在項目C/C++General下，選擇Paths和Symbol選項。然后選擇ImportSettings，并粘貼到設置文件的位置。另外必須確保資源庫能正確指向您之前所添加的庫。您可以通過設置XilinxTools>Repositories對其進行檢查；該選項應顯示之前μC/OS-IIIBSP的安裝位置。由于我們希望用UART輸出演示的狀態(tài)（顯示完成的初始化值和正在運行的任務），因此您可能需要在BSP設置下將stdin和stdout設置到UART。執(zhí)行完這些工作后，您會發(fā)現(xiàn)目前就可以創(chuàng)建項目了。但是仍存在一些警告，如果您嘗試在硬件上運行該項目，項目并不能如演示那樣執(zhí)行。這是因為存在一個未聲明的函數(shù)警告。在bsp.c文件中加入如下聲明可糾正這個問題。

#include"xil_cache.l一旦添加“include”頭文件后，項目就可按照預期構建并在ZedBoard上運行，(登陸?v=uRB4La5ijrA觀看YouTube視頻)。啟動并運行

啟動并運