uC/OS操作系統(tǒng)應(yīng)用分析

一. uC/OS-II的移植

移植uC/OS對目標(biāo)處理器有一定要求,這個可以參照>一書中第8章的內(nèi)容.

整個嵌入式系統(tǒng)分為兩大層:硬件層和軟件層.這里主要研究軟件層的架構(gòu).

軟件層主要分為四個部分:實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核,與處理器相關(guān)部分,與應(yīng)用相關(guān)部分,用戶的應(yīng)用系統(tǒng).

l 實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核

實(shí)時操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源進(jìn)行管理。主要包括任務(wù)分配和調(diào)度、系統(tǒng)時鐘服務(wù)、內(nèi)存管理、消息機(jī)制、異常處理等等。uC/OS所有系統(tǒng)服務(wù)均由內(nèi)核提供。內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層硬件結(jié)合成一個完整的實(shí)時系統(tǒng)。

移植的時候內(nèi)核是不變的,開發(fā)者根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)的需要來選擇實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核,開發(fā)者不能對內(nèi)核隨意訪問，只能使用內(nèi)核提供的功能服務(wù)來開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。內(nèi)核確定，那么所提供的系統(tǒng)管理能力，系統(tǒng)服務(wù)也就得到了限定。開發(fā)者只能在規(guī)定的范圍內(nèi)對系統(tǒng)作些改動.

2 與處理器相關(guān)的代碼

這是移植中最關(guān)鍵的部分.內(nèi)核將應(yīng)用系統(tǒng)和底層硬件有機(jī)的結(jié)合成一個實(shí)時系統(tǒng),要使同一個內(nèi)核能適用于不同的硬件體系,就需要在內(nèi)核和硬件之間有一個中間層,這就是與處理器相關(guān)的代碼.處理器不同,這部分代碼也不同.

我們在移植時需要自己處理這部分代碼,可以自己編寫,也可以直接使用已經(jīng)成功移植的代碼.

在uC/OS中這一部分代碼分成三個文件:OS_CPU.H, OS_CPU_A.ASM, OS_CPU_C.C

1) OS_CPU.H

包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量,宏和類型定義.

具體來講有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義,棧增長方向定義,關(guān)中斷和開中斷定義,系統(tǒng)軟中斷的定義等等.

2) OS_CPU_A.ASM

這部分需要對處理器的寄存器進(jìn)行操作,所以必須用匯編語言來編寫.包括四個子函數(shù):OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR().

OSStartHighRdy ()在多任務(wù)系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStart()中調(diào)用.完成的功能是:設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位OSRunning = TRUE;將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針Load到SP中,并強(qiáng)制中斷返回.這樣就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)就如同從中斷里返回到運(yùn)行態(tài)一樣,使得整個系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn).

OSCtxSw()在任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用的.任務(wù)級切換是通過SWI或者TRAP人為制造的中斷來實(shí)現(xiàn)的.ISR的向量地址必須指向OSCtxSw().這一中斷完成的功能:保存任務(wù)的環(huán)境變量(主要是寄存器的值,通過入棧來實(shí)現(xiàn)),將當(dāng)前SP存入任務(wù)TCB中,載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回.這樣就完成了任務(wù)級的切換.

OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用,實(shí)現(xiàn)中斷級任務(wù)切換.由于是在中斷里調(diào)用,所以處理器的寄存器入棧工作已經(jīng)做完,就不用作這部分工作了.具體完成的任務(wù):調(diào)整棧指針(因?yàn)檎{(diào)用函數(shù)會使任務(wù)棧結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)任務(wù)切換時堆棧標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)不一致),保存當(dāng)前任務(wù)SP,載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回.這樣就完成了中斷級任務(wù)切換.

OSTickISR()系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù),這是一個周期性中斷,為內(nèi)核提供時鐘節(jié)拍.頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重.其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應(yīng)用系統(tǒng)提供的最小時間間隔服務(wù).一般只限于ms級(跟MCU有關(guān)),對于要求更加苛刻的任務(wù)需要用戶自己建立中斷來解決.該函數(shù)具體內(nèi)容:保存寄存器(如果硬件自動完成就可以省略),調(diào)用OSIntEnter(),調(diào)用OSTimeTick(),調(diào)用OSIntExit(),恢復(fù)寄存器,中斷返回.

3) OS_CPU_C.C

UC/OS中共定義了6個函數(shù)在該文件中.但是最重要的是OSTaskStkInit().其他都是對系統(tǒng)內(nèi)核的擴(kuò)展時用的.

OSTaskStkInit()是在用戶建立任務(wù)時系統(tǒng)內(nèi)部自己調(diào)用的,對用戶任務(wù)的堆棧進(jìn)行初始化.使建立好的進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)的堆棧與系統(tǒng)發(fā)生中斷并且將環(huán)境變量保存完畢時的棧結(jié)構(gòu)一致.這樣就可以用中斷返回指令使就緒的任務(wù)運(yùn)行起來.

具體的入棧方式要根據(jù)不同mcu而定.需要參考用戶使用的mcu說明書.同時還要考慮mcu的棧生成方式.這需要根據(jù)具體問題來分析,在此不做過多論述.

3 與應(yīng)用相關(guān)的代碼

這一部分是用戶根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)來定制合適的內(nèi)核服務(wù)功能.包括兩個文件:OS_CFG.H, INCLUDES.H.

OS_CFG.H來配置內(nèi)核,用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進(jìn)行定制,留下需要的部分,去掉不需要的部分,設(shè)置系統(tǒng)的基本情況.比如系統(tǒng)可提供的最大任務(wù)數(shù)量,是否定制郵箱服務(wù),是否需要系統(tǒng)提供任務(wù)掛起功能,是否提供任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)改變功能等等.

INCLUDES.H系統(tǒng)頭文件,整個實(shí)時系統(tǒng)程序所需要的文件,包括了內(nèi)核和用戶的頭文件.

4 用戶應(yīng)用系統(tǒng)

這是整個實(shí)時系統(tǒng)的最高層,用戶通過利用實(shí)時操作系統(tǒng)提供的服務(wù)來開發(fā)自己的具體程序.

二. 用戶應(yīng)用系統(tǒng)編寫的模式

kernel提供給用戶一些功能函數(shù),使得用戶的系統(tǒng)建立更加方便,但是kernel內(nèi)部不會處理用戶的工作,對于整個系統(tǒng)的具體應(yīng)用工作還得需要用戶自己去考慮,如何利用好這些功能服務(wù)函數(shù)就成為一個比較重要的問題.

1. main函數(shù)的結(jié)構(gòu)

void main (void)

{

初始化系統(tǒng)的硬件;

OSInit();

任務(wù)的建立,消息機(jī)制的建立;

OSStart();

}

這里需要的是在OSStart()執(zhí)行之前不得啟動中斷,硬件系統(tǒng)還不能工作.必須先讓軟件系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后才行.

2. 中斷的結(jié)構(gòu)

ISR:

{

保存處理器寄存器的值;

調(diào)用OSIntEnter();

執(zhí)行用戶的工作;

調(diào)用OSIntExit();

恢復(fù)處理器寄存器的值;

RTI;

}

用戶的中斷形式和以前一樣,沒有什么大的變化,僅僅是在原來用戶ISR的基礎(chǔ)上在固定的位置加了兩個函數(shù):OSIntEnter(), OSIntExit().

3. 各個任務(wù)的結(jié)構(gòu)

void YourTask (void)

{

for(;;)

{

用戶代碼

調(diào)用的系統(tǒng)服務(wù)

}

}

在任務(wù)啟動函數(shù)執(zhí)行完后,系統(tǒng)會切換到最高優(yōu)先級的任務(wù)去執(zhí)行,此時,可以將系統(tǒng)硬件部分的啟動放在該任務(wù)的最前邊,僅僅是啟動時執(zhí)行一次,主要是啟動系統(tǒng)的節(jié)拍中斷,或者一些必須在多任務(wù)系統(tǒng)調(diào)度后才能初始化的部分,使系統(tǒng)的真正開始工作,達(dá)到軟件硬件的基本同步.