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嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)

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作者:王勁松 李正熙等 時(shí)間:2007-02-28 來源:?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)ic網(wǎng) 收藏
1引言

  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。

  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?;窘Y(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)。



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