uCOS-II 初級(jí)程序員指南，了解一下！

技術(shù)小白

(一) uC/OS-II 簡(jiǎn)介
uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶先的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。自從92年發(fā)布以來(lái)，在世界各地都獲得了廣泛的應(yīng)用，它是一種專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)核，目前已經(jīng)被移植到40多種不同結(jié)構(gòu)的CPU上，運(yùn)行在從8位到64位的各種系統(tǒng)之上。尤其值得一提的是，該系統(tǒng)自從2.51版本之后，就通過(guò)了美國(guó)FAA認(rèn)證，可以運(yùn)行在諸如航天器等對(duì)安全要求極為苛刻的系統(tǒng)之上。鑒于uC/OS-II可以免費(fèi)獲得代碼，對(duì)于嵌入式RTOS而言，選擇uC/OS無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

(二) uC/OS-II　應(yīng)用程序基本結(jié)構(gòu)
應(yīng)用uC/OS-II，自然要為它開發(fā)應(yīng)用程序，下面論述基于uC/OS-II的應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)以及注意事項(xiàng)。

每一個(gè)uC/OS-II應(yīng)用至少要有一個(gè)任務(wù)。而每一個(gè)任務(wù)必須被寫成無(wú)限循環(huán)的形式。以下是推薦的結(jié)構(gòu)：
void task ( void* pdata )
{
INT8U err;
InitTimer(); // 可選
For( ;; )
{
// 你的應(yīng)用程序代碼
…….
……..
OSTimeDly(1); // 可選
}
}

以上就是基本結(jié)構(gòu)，至于為什么要寫成無(wú)限循環(huán)的形式呢?那是因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)為每一個(gè)任務(wù)保留一個(gè)堆棧空間，由系統(tǒng)在任務(wù)切換的時(shí)候換恢復(fù)上下文，并執(zhí)行一條reti 指令返回。如果允許任務(wù)執(zhí)行到最后一個(gè)花括號(hào)(那一般都意味著一條ret指令)的話，很可能會(huì)破壞系統(tǒng)堆棧空間從而使應(yīng)用程序的執(zhí)行不確定。換句話說(shuō)，就是“跑飛”了。所以，每一個(gè)任務(wù)必須被寫成無(wú)限循環(huán)的形式。程序員一定要相信，自己的任務(wù)是會(huì)放棄CPU使用權(quán)的，而不管是系統(tǒng)強(qiáng)制(通過(guò)ISR)還是主動(dòng)放棄(通過(guò)調(diào)用OS API)。

現(xiàn)在來(lái)談?wù)撋厦娉绦蛑械腎nitTimer()函數(shù)，這個(gè)函數(shù)應(yīng)該由系統(tǒng)提供，程序員有義務(wù)在優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)內(nèi)調(diào)用它而且不能在for循環(huán)內(nèi)調(diào)用。注意，這個(gè)函數(shù)是和所使用的CPU相關(guān)的，每種系統(tǒng)都有自己的Timer初始化程序。在uC/OS-II的幫助手冊(cè)內(nèi)，作者特地強(qiáng)調(diào)絕對(duì)不能在OSInit()或者OSStart()內(nèi)調(diào)用Timer初始化程序，那會(huì)破壞系統(tǒng)的可移植性同時(shí)帶來(lái)性能上的損失。所以，一個(gè)折中的辦法就是象上面這樣，在優(yōu)先級(jí)最高的程序內(nèi)調(diào)用，這樣可以保證當(dāng)OSStart()調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)OSStartHighRdy()開始多任務(wù)后，首先執(zhí)行的就是Timer初始化程序。或者專門開一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，只做一件事情，那就是執(zhí)行Timer初始化，之后通過(guò)調(diào)用OSTaskSuspend()將自己掛起來(lái)，永遠(yuǎn)不再執(zhí)行。不過(guò)這樣會(huì)浪費(fèi)一個(gè)TCB空間。對(duì)于那些RAM吃緊的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還是不用為好。

(三) 一些重要的uC/OS-II API介紹
任何一個(gè)操作系統(tǒng)都會(huì)提供大量的API供程序員使用，uC/OS-II也不例外。由于uC/OS-II面向的是嵌入式開發(fā)，并不要求大而全，所以內(nèi)核提供的API也就大多和多任務(wù)息息相關(guān)。主要的有以下幾類：
1)任務(wù)類
2)消息類
3)同步類
4)時(shí)間類
5)臨界區(qū)與事件類

我個(gè)人認(rèn)為對(duì)于初級(jí)程序員而言，任務(wù)類和時(shí)間類是必須要首先掌握的兩種類型的API。下面我就來(lái)介紹比較重要的：
1) OSTaskCreate函數(shù)
這個(gè)函數(shù)應(yīng)該至少再main函數(shù)內(nèi)調(diào)用一次，在OSInit函數(shù)調(diào)用之后調(diào)用。作用就是創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。目前有四個(gè)參數(shù)，分別是任務(wù)的入口地址，任務(wù)的參數(shù)，任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。調(diào)用本函數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)首先從TCB空閑列表內(nèi)申請(qǐng)一個(gè)空的TCB指針，然后將會(huì)根據(jù)用戶給出參數(shù)初始化任務(wù)堆棧，并在內(nèi)部的任務(wù)就緒表內(nèi)標(biāo)記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個(gè)任務(wù)就創(chuàng)建成功了。

2) OSTaskSuspend函數(shù)
這個(gè)函數(shù)很簡(jiǎn)單，一看名字就該明白它的作用，它可以將指定的任務(wù)掛起。如果掛起的是當(dāng)前任務(wù)的話，那么還會(huì)引發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)切換先導(dǎo)函數(shù)OSShed來(lái)進(jìn)行一次任務(wù)切換。這個(gè)函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，那就是指定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。那為什么是優(yōu)先級(jí)呢?事實(shí)上在系統(tǒng)內(nèi)部，優(yōu)先級(jí)除了表示一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的先后次序外，還起著分別每一個(gè)任務(wù)的作用，換句話說(shuō)，優(yōu)先級(jí)也就是任務(wù)的ID。所以u(píng)C/OS-II不允許出現(xiàn)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

3) OSTaskResume函數(shù)
這個(gè)函數(shù)和上面的函數(shù)正好相反，它用于將指定的已經(jīng)掛起的函數(shù)恢復(fù)成就緒狀態(tài)。如果恢復(fù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前任務(wù)，那么還為引發(fā)一次任務(wù)切換。其參數(shù)類似OSTaskSuspend函數(shù)，為指定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。需要特別說(shuō)明是，本函數(shù)并不要求和OSTaskSuspend函數(shù)成對(duì)使用。

4) OS_ENTER_CRITICAL宏
很多人都以為它是個(gè)函數(shù)，其實(shí)不然，仔細(xì)分析一下OS_CPU.H文件，它和下面馬上要談到的OS_EXIT_CRITICAL都是宏。他們都是涉及特定CPU的實(shí)現(xiàn)。一般都被替換為一條或者幾條嵌入式匯編代碼。由于系統(tǒng)希望向上層程序員隱藏內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，故而一般都宣稱執(zhí)行此條指令后系統(tǒng)進(jìn)入臨界區(qū)。其實(shí)，它就是關(guān)個(gè)中斷而已。這樣，只要任務(wù)不主動(dòng)放棄CPU使用權(quán)，別的任務(wù)就沒(méi)有占用CPU的機(jī)會(huì)了，相對(duì)這個(gè)任務(wù)而言，它就是獨(dú)占了。所以說(shuō)進(jìn)入臨界區(qū)了。這個(gè)宏能少用還是少用，因?yàn)樗鼤?huì)破壞系統(tǒng)的一些服務(wù)，尤其是時(shí)間服務(wù)。并使系統(tǒng)對(duì)外界響應(yīng)性能降低。

5) OS_EXIT_CRITICAL宏
這個(gè)是和上面介紹的宏配套使用另一個(gè)宏，它在系統(tǒng)手冊(cè)里的說(shuō)明是退出臨界區(qū)。其實(shí)它就是重新開中斷。需要注意的是，它必須和上面的宏成對(duì)出現(xiàn)，否則會(huì)帶來(lái)意想不到的后果。最壞的情況下，系統(tǒng)會(huì)崩潰。我們推薦程序員們盡量少使用這兩個(gè)宏調(diào)用，因?yàn)樗麄兊拇_會(huì)破壞系統(tǒng)的多任務(wù)性能。

6) OSTimeDly函數(shù)
這應(yīng)該程序員們調(diào)用最多的一個(gè)函數(shù)了，這個(gè)函數(shù)完成功能很簡(jiǎn)單，就是先掛起當(dāng)起當(dāng)前任務(wù)，然后進(jìn)行任務(wù)切換，在指定的時(shí)間到來(lái)之后，將當(dāng)前任務(wù)恢復(fù)為就緒狀態(tài)，但是并不一定運(yùn)行，如果恢復(fù)后是優(yōu)先級(jí)最高就緒任務(wù)的話，那么運(yùn)行之。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是可以任務(wù)延時(shí)一定時(shí)間后再次執(zhí)行它，或者說(shuō)，暫時(shí)放棄CPU的使用權(quán)。一個(gè)任務(wù)可以不顯式的調(diào)用這些可以導(dǎo)致放棄CPU使用權(quán)的API，但那樣多任務(wù)性能會(huì)大大降低，因?yàn)榇藭r(shí)僅僅依靠時(shí)鐘機(jī)制在進(jìn)行任務(wù)切換。一個(gè)好的任務(wù)應(yīng)該在完成一些操作主動(dòng)放棄使用權(quán)，好東西要大家分享嘛!

(四) uC/OS-II 多任務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析
前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶先的多任務(wù)內(nèi)核。那么，它的多任務(wù)機(jī)制到底如何實(shí)現(xiàn)的呢?了解這些原理，可以幫助我們寫出更加健壯的代碼來(lái)。由于我們面向的初級(jí)程序員，本文不打算寫成又一篇uC/OS-II的源碼分析，那樣的文章太多了，本文打算從實(shí)現(xiàn)原理的角度探討這個(gè)問(wèn)題。

首先我們來(lái)看看為什么多任務(wù)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)?其實(shí)在單一CPU的情況下，是不存在真正的多任務(wù)機(jī)制的，存在的只有不同的任務(wù)輪流使用CPU，所以本質(zhì)上還是單任務(wù)的。但由于CPU執(zhí)行速度非常快，加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺(jué)好像有很多任務(wù)同時(shí)在運(yùn)行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機(jī)制。

由上面的描述，不難發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制，那么目標(biāo)CPU必須具備一種在運(yùn)行期更改PC的途徑，否則無(wú)法做到切換。不幸的使，直接設(shè)置PC指針，目前還沒(méi)有哪個(gè)CPU支持這樣的指令。但是一般CPU都允許通過(guò)類似JMP，CALL這樣的指令來(lái)間接的修改PC。我們的多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)。事實(shí)上，我們使用CALL指令或者軟中斷指令來(lái)修改PC，主要是軟中斷。但在一些CPU上，并不存在軟中斷這樣的概念，所以，我們?cè)谀切〤PU上，使用幾條PUSH指令加上一條CALL指令來(lái)模擬一次軟中斷的發(fā)生。

回想一下你在微機(jī)原理課程上學(xué)過(guò)的知識(shí)，當(dāng)發(fā)生中斷的時(shí)候，CPU保存當(dāng)前的PC和狀態(tài)寄存器的值到堆棧里，然后將PC設(shè)置為中斷服務(wù)程序的入口地址，再下來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，就可以去執(zhí)行中斷服務(wù)程序了。執(zhí)行完畢之后，一般都是執(zhí)行一條RETI指令，這條指令會(huì)把當(dāng)前堆棧里的值彈出恢復(fù)到狀態(tài)寄存器和PC里。這樣，系統(tǒng)就會(huì)回到中斷以前的地方繼續(xù)執(zhí)行了。那么設(shè)想一下?如果再中斷的時(shí)候，人為的更改了堆棧里的值，那會(huì)發(fā)生什么?或者通過(guò)更改當(dāng)前堆棧指針的值，又會(huì)發(fā)生什么呢?如果更改是隨意的，那么結(jié)果是無(wú)法預(yù)料的錯(cuò)誤。因?yàn)槲覀儫o(wú)法確定機(jī)器下一條會(huì)執(zhí)行些什么指令，但是如果更改是計(jì)劃好的，按照一定規(guī)則的話，那么我們就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。事實(shí)上，這就是目前幾乎所有的OS的核心部分。不過(guò)他們的實(shí)現(xiàn)不像這樣簡(jiǎn)單罷了。

下面，我們來(lái)看看uC/OS-II再這方面是怎么處理的。再uC/OS-II里，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)控制塊(Task Control Block)，這是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在任務(wù)控制快的偏移為0的地方，存儲(chǔ)著一個(gè)指針，它記錄了所屬任務(wù)的專用堆棧地址。事實(shí)上，再uC/OS-II內(nèi)，每個(gè)任務(wù)都有自己的專用堆棧，彼此之間不能侵犯。這點(diǎn)要求程序員再他們的程序中保證。一般的做法是把他們申明成靜態(tài)數(shù)組。而且要申明成OS_STK類型。當(dāng)任務(wù)有了自己的堆棧，那么就可以將每一個(gè)任務(wù)堆棧再那里記錄到前面談到的任務(wù)控制快偏移為0的地方。以后每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換，系統(tǒng)必然會(huì)先進(jìn)入一個(gè)中斷，這一般是通過(guò)軟中斷或者時(shí)鐘中斷實(shí)現(xiàn)。然后系統(tǒng)會(huì)先把當(dāng)前任務(wù)的堆棧地址保存起來(lái)，僅接著恢復(fù)要切換的任務(wù)的堆棧地址。由于哪個(gè)任務(wù)的堆棧里一定也存的是地址(還記得我們前面說(shuō)過(guò)的，每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換，系統(tǒng)必然會(huì)先進(jìn)入一個(gè)中斷，而一旦中斷CPU就會(huì)把地址壓入堆棧)，這樣，就達(dá)到了修改PC為下一個(gè)任務(wù)的地址的目的。

以上就是uC/OS-II的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，我們?cè)谶@里大費(fèi)筆墨談?wù)撨@個(gè)問(wèn)題，是希望我們的程序員們可以善加利用這個(gè)機(jī)制，寫出更健壯，更富有效率的代碼來(lái)。
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