嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II及其應(yīng)用
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關(guān)鍵詞： 實時操作系統(tǒng)；μC/OS-II；單片機(jī)
早在上世紀(jì)六十年代，就已經(jīng)有人開始研究和開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。但直到最近，它才在國內(nèi)被越來越多的提及。其在通信、電子、自動化等需要實時處理的領(lǐng)域所日益顯現(xiàn)的重要性吸引了人們越來越多的注意力。針對國內(nèi)大部分用戶使用的51系列的8位處理器，我們可以選擇μC/OS-II 。
μC/OS-II是由Labrosse先生編寫的一個開放式的內(nèi)核，它最主要的特點就是源碼公開的自由軟件。這一點對于用戶來說可謂利弊各半；好處在于，一方面它是免費的；另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對它進(jìn)行修改。壞處在于，它缺乏必要的支持。它沒有功能強(qiáng)大的軟件包，用戶通常得自己編寫驅(qū)動程序，特別當(dāng)用戶使用的是不太常用的單片機(jī)，還必須自己編寫移植程序。
μC/OS-II特點
(1) μC/OS-II是一個占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個特點使得它的實時性比非占先式的內(nèi)核要好。通常我們都是在中斷服務(wù)程序中使高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)(例如發(fā)信號)，這樣退出中斷服務(wù)程序后，將進(jìn)行任務(wù)切換，高優(yōu)先級任務(wù)將被執(zhí)行。但是因為我們無法確定發(fā)生中斷時程序到底執(zhí)行到了什么地方，我們也就無法判斷要經(jīng)過多長時間數(shù)據(jù)處理程序才會執(zhí)行，中斷響應(yīng)時間無法確定，系統(tǒng)的實時性不強(qiáng)。如果使用μC/OS-II的話，我們只要把數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級設(shè)定的高一些，并在中斷服務(wù)程序中使它進(jìn)入就緒態(tài)，中斷結(jié)束后數(shù)據(jù)處理程序就會被立即執(zhí)行。這樣我們可以把中斷響應(yīng)時間限制在一定的范圍內(nèi)。對于一些對中斷響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)，這是必不可少的。
(2)μC/OS-II和我們所知道的Linux等分時操作系統(tǒng)不同，不支持時間片輪轉(zhuǎn)法。它是一個基于優(yōu)先級的實時操作系統(tǒng)。每一個任務(wù)的優(yōu)先級必須不同 (分析它的源碼會發(fā)現(xiàn)，mC/OS-II 把任務(wù)的優(yōu)先級當(dāng)作任務(wù)的標(biāo)識來使用，如果優(yōu)先級相同，任務(wù)將無法區(qū)分)。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權(quán)，只有等它交出CPU的使用權(quán)后，其他任務(wù)才可以被執(zhí)行。所以它只能說是多任務(wù)，不能說是多進(jìn)程，至少不是我們所熟悉的那種多進(jìn)程。μC/OS-II的這種特性是好是壞，主要看從什么角度來判斷。顯而易見，如果只考慮實時性，當(dāng)然比分時系統(tǒng)好，它可以保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統(tǒng)中，重要任務(wù)畢竟是有限的，這就使得劃分其它任務(wù)的優(yōu)先權(quán)變成了一個讓人費神的問題。另外，有些任務(wù)交替執(zhí)行反而對用戶更有利。例如，用單片機(jī)控制兩小塊顯示屏?xí)r，無論是編程者還是使用者肯定希望它們同時工作，而不是顯示完一塊顯示屏的信息以后再顯示另一塊顯示屏的信息。
(3) μC/OS-II對共享資源提供了保護(hù)機(jī)制。μC/OS-II是一個支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。我們可以把一個完整的程序劃分成幾個任務(wù)，不同的任務(wù)執(zhí)行不同的功能。對于共享資源(比如串口)，μC/OS-II也提供了很好的解決辦法，一般情況下使用的是信號量方法。我們創(chuàng)建一個信號量并對它進(jìn)行初始化，當(dāng)一個任務(wù)需要使用一個共享資源時，它必須先申請得到這個信號量。在這個過程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因為無法得到信號量，也不能使用該資源。在μC/OS-II中稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。簡單的說，就是高優(yōu)先級任務(wù)必須等待低優(yōu)先級任務(wù)的完成。在上述情況下，在兩個任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是無法避免的。所以在使用μC/OS-II時，我們必須對所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對于某種共享資源是否使用信號量。
μC/OS-II在單片機(jī)中的應(yīng)用
(1) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡單起來。我們經(jīng)常遇到編完程序時，在調(diào)試過程中要不是程序跑飛了，要不就是陷入死循環(huán)。如果在系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II，我們可以把整個程序分成許多任務(wù)，每個任務(wù)相對獨立。然后在每個任務(wù)中設(shè)置超時函數(shù)，時間用完以后，任務(wù)必須交出CPU的使用權(quán)。即使一個任務(wù)發(fā)生問題，也不會影響其它任務(wù)的運行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也使得調(diào)試程序變得容易。需要指出的是，這里所說的容易是建立在開發(fā)人員對μC/OS-II有所了解并有實際操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的。
(2) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增加系統(tǒng)的開銷，這在許多書籍和資料中都提到過?，F(xiàn)在我們所使用的51系列單片機(jī)，其片內(nèi)都帶有一定的RAM和ROM。對于一些簡單的程序，如果采用傳統(tǒng)的編程方法，已經(jīng)不需要外擴(kuò)存儲器了。如果在其中嵌入μC/OS-II的話，在只需要使用任務(wù)調(diào)度、任務(wù)切換、信號量處理、延時或超時服務(wù)的情況下，也不需要外擴(kuò)ROM了，但是外擴(kuò)RAM是必須的。由于μC/OS-II是可裁減的操作系統(tǒng)，其所需要的RAM大小就依賴于我們對操作系統(tǒng)一些功能的選擇。嵌入μC/OS-II以后總的RAM需求可以由如下表達(dá)式得出：
RAM總需求=應(yīng)用程序的RAM需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+(任務(wù)棧需求+最大中斷嵌套棧需求)
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