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標題: uC/OS-II簡介 [打印本頁]

作者: 18538579903 時間: 2017-8-22 09:45
標題: uC/OS-II簡介

uC/OS-II簡介

u C / O S 是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時
操作系統。
μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美國嵌入式系統專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統編程》雜志的5 月和6 月刊上刊登的文章連載，并
把μC/OS 的源碼發布在該雜志的B B S 上。
μC/OS 和μC/OS-II 是專門為計算機的嵌入式應用設計的，絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU 硬件相關部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU 上。用戶只要有標準的ANSI 的C交叉編譯器，有匯編器、連接器等軟件工具，就可以將μC/OS-II嵌人到開發的產品中。μC/OS-II 具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至 2KB 。μC/OS-II 已經移植到了幾乎所有知名的CPU 上。
嚴格地說uC/OS-II只是一個實時操作系統內核，它僅僅包含了任務調度，任務管理，時間管理，內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統，網絡等額外的服務。但由于uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據需要分別實現。
uC/OS-II目標是實現一個基于優先級調度的搶占式的實時內核，并在這個內核之上提供最基本的系統服務，如信號量，郵箱，消息隊列，內存管理，中斷管理等。
任務管理
uC/OS-II 中最多可以支持64 個任務，分別對應優先級0～63，其中0 為最高優先級。63為最低級，系統保留了4個最高優先級的任務和4個最低優先級的任務，所有用戶可以使用的任務數有56個。
uC/OS-II提供了任務管理的各種函數調用，包括創建任務，刪除任務，改變任務的優先級，任務掛起和恢復等。
系統初始化時會自動產生兩個任務：一個是空閑任務，它的優先級最低，改任務僅給一個整形變量做累加運算；另一個是系統任務，它的優先級為次低，改任務負責統計當前cpu的利用率。
時間管理
uC/OS-II的時間管理是通過定時中斷來實現的，該定時中斷一般為10毫秒或100毫秒發生一次，時間頻率取決于用戶對硬件系統的定時器編程來實現。中斷發生的時間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個時鐘節拍。
uC/OS-II要求用戶在定時中斷的服務程序中，調用系統提供的與時鐘節拍相關的系統函數，例如中斷級的任務切換函數，系統時間函數。
內存管理
在ANSI C中是使用malloc和free兩個函數來動態分配和釋放內存。但在嵌入式實時系統中，多次這樣的錯作會導致內存碎片，且由于內存管理算法的原因，malloc和free的執行時間也是不確定。
uC/OS-II中把連續的大快內存按分區管理。每個分區中包含整數個大小相同的內存塊，但不同分區之間的內存快大小可以不同。用戶需要動態分配內存時，系統選擇一個適當的分區，按塊來分配內存。釋放內存時將該塊放回它以前所屬的分區，這樣能有效解決碎片問題，同時執行時間也是固定的。
任務間通信與同步
對一個多任務的操作系統來說，任務間的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4中同步對象，分別是信號量，郵箱，消息隊列和事件。所有這些同步對象都有創建，等待，發送，查詢的接口用于實現進程間的通信和同步。
任務調度
uC/OS-II 采用的是可剝奪型實時多任務內核。可剝奪型的實時內核在任何時候都運行就緒了的最高優先級的任務。
uC/os-II的任務調度是完全基于任務優先級的搶占式調度，也就是最高優先級的任務一旦處于就緒狀態，則立即搶占正在運行的低優先級任務的處理器資源。為了簡化系統設計，uC/OS-II規定所有任務的優先級不同，因為任務的優先級也同時唯一標志了該任務本身。
任務調度將在以下情況下發生：
1）高優先級的任務因為需要某種臨界資源，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調度就緒狀態的低優先級任務獲得執行，這種調度也稱為任務級的上下文切換。
2）高優先級的任務因為時鐘節拍到來，在時鐘中斷的處理程序中，內核發現高優先級任務獲得了執行條件(如休眠的時鐘到時)，則在中斷態直接切換到高優先級任務執行。這種調度也稱為中斷級的上下文切換。
這兩種調度方式在uC/OS-II的執行過程中非常普遍，一般來說前者發生在系統服務中，后者發生在時鐘中斷的服務程序中。
調度工作的內容可以分為兩部分：最高優先級任務的尋找和任務切換。其最高優先級任務的尋找是通過建立就緒任務表來實現的。u C / O S 中的每一個任務都有獨立的堆棧空間，并有一個稱為任務控制塊TCB(Task Control Block)的數據結構，其中第一個成員變量就是保存的任務堆棧指針。任務調度模塊首先用變量OSTCBHighRdy 記錄當前最高級就緒任務的TCB 地址，然后調用OS_TASK_SW()函數來進行任務切換。
μC/OS-II的組成部分
μC/OS-II可以大致分成核心、任務處理、時間處理、任務同步與通信，CPU的移植等5個部分。
1) 核心部分(OSCore.c)
是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。能夠維持系統基本工作的部分都在這里。
2) 任務處理部分(OSTask.c)
任務處理部分中的內容都是與任務的操作密切相關的。包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務為基本單位調度的，所以這部分內容也相當重要。
3) 時鐘部分(OSTime.c)
μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick（時鐘節拍）。任務延時等操作是在這里完成的。
4) 任務同步和通信部分
為事件處理部分，包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標志等部分；主要用于任務間的互相聯系和對臨界資源的訪問。
5) 與CPU的接口部分
是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統，所以對于關鍵問題上的實現，還是需要根據具體CPU的具體內容和要求作相應的移植。這部分內容由于牽涉到SP等系統指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷的相關處理部分等內容。

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