嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與學(xué)習(xí)心得體會(huì)

μC/OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用和學(xué)習(xí)心得μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無(wú)誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。它是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可裁剪的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSII的C語(yǔ)言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)上的微處理器上運(yùn)行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，包括很多領(lǐng)域，如手機(jī)、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制上。實(shí)際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴(yán)格的測(cè)試，并且得到了美國(guó)航空管理局的認(rèn)證，可以用在飛行器上。這說(shuō)明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關(guān)的安全緊要系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II的鮮明特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)。我們?cè)趯W(xué)習(xí)μC/OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)用的教科書是任哲編著的《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理及應(yīng)用》，這本書介紹了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的任務(wù)管理和調(diào)度、系統(tǒng)時(shí)鐘和節(jié)拍服務(wù)、時(shí)間管理、中斷、任務(wù)的通信和同步、內(nèi)存的簡(jiǎn)單管理原理，同時(shí)給出了實(shí)例。最后，還介紹了μC/OS-Ⅱ的移植方法。在多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通訊。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。之所以使用實(shí)時(shí)內(nèi)核可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是因?yàn)閷?shí)時(shí)內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個(gè)任務(wù)，由實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理它們。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM的用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。但更主要的是，每個(gè)任務(wù)要有自己的?？臻g，這一塊吃起內(nèi)存來(lái)是相當(dāng)厲害的。內(nèi)核本身對(duì)CPU的占用時(shí)間一般在2到5個(gè)百分點(diǎn)之間。μC/OS-Ⅱ有一個(gè)精巧的內(nèi)核調(diào)度算法,實(shí)時(shí)內(nèi)核精小，執(zhí)行效率高，算法巧妙,代碼空間很少，具有如下特點(diǎn)：只支持基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法，不支持時(shí)間片輪循；64個(gè)優(yōu)先級(jí),只能創(chuàng)建64個(gè)任務(wù),用戶只能創(chuàng)建56個(gè)任務(wù)；每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)都不相同；不支持優(yōu)先級(jí)逆轉(zhuǎn)；READY隊(duì)列通過內(nèi)存映射表實(shí)現(xiàn)快速查詢；效率非常高；支持時(shí)鐘節(jié)拍；支持信號(hào)量，消息隊(duì)列，事件控制塊，事件標(biāo)志組，消息郵箱任務(wù)通訊機(jī)制；支持中斷嵌套，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層，中斷使用當(dāng)前任務(wù)的堆棧保存上下文；每個(gè)任務(wù)有自己的堆棧，堆棧大小用戶自己設(shè)定；支持動(dòng)態(tài)修改任務(wù)優(yōu)先級(jí)；任務(wù)TCB為靜態(tài)數(shù)組，建立任務(wù)只是從中獲得一個(gè)TCB，不用動(dòng)態(tài)分配，釋放內(nèi)存；任務(wù)堆棧為用戶靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，在任務(wù)創(chuàng)建外完成，任務(wù)創(chuàng)建本身不進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配；任務(wù)的總個(gè)數(shù)（OS_MAX_TASKS）由用戶決定；0優(yōu)先級(jí)最高，63優(yōu)先級(jí)最低；有一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的空閑任務(wù),在沒有用戶任務(wù)運(yùn)行的時(shí)候運(yùn)行。任務(wù)的調(diào)度核心主要是在任務(wù)就緒表中查找具有最高優(yōu)先級(jí)別的就緒任務(wù)及實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，即將找到的的最高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)的“任務(wù)號(hào)”--->“當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)號(hào)OSPrioCur”；從OSTCBPrioTbl［］取出最高優(yōu)先級(jí)別任務(wù)的任務(wù)控制塊首地址--->“當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊指針OSTCBCur”，最后調(diào)用OS_TASK_SW（）完成現(xiàn)場(chǎng)切換（即將CPU的寄存器信息保存到當(dāng)前正運(yùn)行任務(wù)的私棧中，然后從待運(yùn)行的高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)私棧中彈出原先保存寄存器信息到CPU）。時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)放到一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)中完成，通過采用啥希散列表機(jī)制來(lái)管理延時(shí)任務(wù)，每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)只需要處理極少數(shù)的延時(shí)任務(wù)，從而大大減少了時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)花費(fèi)的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，在μC／OS系列RTOS中，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)除了會(huì)跟蹤延時(shí)的任務(wù)，還會(huì)跟蹤那些指定了超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)。也就是說(shuō)，當(dāng)指定的超時(shí)時(shí)限結(jié)束時(shí)，即使任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)也會(huì)使該任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。uC/OS-II的時(shí)間管理是通過定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該定時(shí)中斷一般為10毫秒或100毫秒發(fā)生一次，時(shí)間頻率取決于用戶對(duì)硬件系統(tǒng)的定時(shí)器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。中斷發(fā)生的時(shí)間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。uC/OS-II要求用戶在定時(shí)中斷的服務(wù)程序中，調(diào)用系統(tǒng)提供的與時(shí)鐘節(jié)拍相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，例如中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)。uC/OS-II中最多可以支持64個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0為最高優(yōu)先級(jí)。63為最低級(jí)，系統(tǒng)保留了4個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和4個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個(gè)。還提供了任務(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(jí)，任務(wù)掛起和恢復(fù)等。系統(tǒng)初始化時(shí)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級(jí)最低，該任務(wù)僅給一個(gè)整形變量做累加運(yùn)算；另一個(gè)是系統(tǒng)任務(wù)，它的優(yōu)先級(jí)為次低，該任務(wù)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前cpu的利用率。想使用在MCU上使用μC/OS-II則必須滿足以下幾個(gè)條件：①處理器C編譯器支持可重入代碼的生成；②用C語(yǔ)言可以打開和關(guān)閉中斷；③處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷(中斷頻率通常設(shè)置在10～100Hz之間)；④處理器支持足夠的RAM空間，以滿足多任務(wù)環(huán)境下設(shè)置任務(wù)堆棧的要求；⑤處理器有相應(yīng)的指令,能將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中。μC/OS-II代碼中大部分是用C語(yǔ)言寫的，但涉及到數(shù)據(jù)類型的重定義、堆棧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、任務(wù)切換時(shí)狀態(tài)的保存和恢復(fù)等問題的大部分代碼由于與處理器有關(guān)，是用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。移植所要做的工作，就是在不同的處理器上用匯編語(yǔ)言來(lái)改寫與處理器有關(guān)的代碼及其他與處理器特性相關(guān)的部分。在μC/OS-II移植過程中涉及以上問題的代碼都包含在文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM中。因此移植的主要工作也在源代碼的基礎(chǔ)上圍繞著這三個(gè)文件的改寫展開?？傊瑢W(xué)習(xí)μC/OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)首先得先了解整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),工作時(shí)的流程,比如任務(wù)1運(yùn)行時(shí)如果有外部中斷會(huì)發(fā)生什么(調(diào)用中斷服務(wù)程序,把相應(yīng)的任務(wù)加如就緒列,內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度,就緒隊(duì)列中的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)...)等，再對(duì)代碼進(jìn)行具體的研究會(huì)比較容易。我們需熟知μC/OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的函數(shù)及其應(yīng)用，例如引起任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)函數(shù)有OSStart（）uCOS/II啟動(dòng)；OSTaskSuspend（）掛起任務(wù)；OSTaskResume（）恢復(fù)任務(wù)；OSTimeDly()/OSTimeDlyHMSM()等待一個(gè)事件的發(fā)生等。只有在熟識(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的方式及可以引發(fā)其運(yùn)行的函數(shù)的情況下我們才能較好的去運(yùn)用它，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)移植，從而達(dá)到我們的目的。學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任哲編著的《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理及應(yīng)用》這本書相對(duì)來(lái)說(shuō)比較適合初學(xué)者，它篇幅適中，通俗易懂，若能結(jié)合北京航空航天大學(xué)《ucosii操作系統(tǒng)講義》就更加好了。正所謂讀書百遍，其義自現(xiàn)，通過對(duì)《北航》和《任哲》的資料不斷反復(fù)地學(xué)習(xí)和閱讀，我心中總算有些眉目