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原创 【博客大赛】UC-OS系统

2013-3-6 12:57 397 0 分类: MCU/ 嵌入式

 

μC/OS-II是一种可移植的,可植入ROM的,可裁剪的,抢占式的,实时多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器。  μC/OS-II 的前身是μC/OS,最早出自于1992 年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系统编程》杂志的5 月和6 月刊上刊登的文章连载,并把μC/OS 的源码发布在该杂志的B B S 上。  μC/OS 和μC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的, 绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度,为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。用户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器,有汇编器、连接器等软件工具,就可以将μC/OS-II嵌入到开发的产品中。μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点, 最小内核可编译至 2KB 。μC/OS-II 已经移植到了几乎所有知名的CPU 上。  严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核,它仅仅包含了任务调度,任务管理,时间管理,内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理,文件系统,网络等额外的服务。但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放,这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。  uC/OS-II目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核,并在这个内核之上提供最基本的系统服务,如信号量,邮箱,消息队列,内存管理,中断管理等。
任务管理
uC/OS-II 中最多可以支持64 个任务,分别对应优先级0~63,其中0 为最高优先级。63为最低级,系统保留了4个最高优先级的任务和4个最低优先级的任务,所有用户可以使用的任务数有56个。  uC/OS-II提供了任务管理的各种函数调用,包括创建任务,删除任务,改变任务的优先级,任务挂起和恢复等。  系统初始化时会自动产生两个任务:一个是空闲任务,它的优先级最低,该任务仅给一个整型变量做累加运算;另一个是统计任务,它的优先级为次低,该任务负责统计当前cpu的利用率。
时间管理
uC/OS-II的时间管理是通过定时中断来实现的,该定时中断一般为10毫秒或100毫秒发生一次,时间频率取决于用户对硬件系统的定时器编程来实现。中断发生的时间间隔是固定不变的,该中断也成为一个时钟节拍。  uC/OS-II要求用户在定时中断的服务程序中,调用系统提供的与时钟节拍相关的系统函数,例如中断级的任务切换函数,系统时间函数。
内存管理
在ANSI C中是使用malloc和free两个函数来动态分配和释放内存。但在嵌入式实时系统中,多次这样的操作会导致内存碎片,且由于内存管理算法的原因,malloc和free的执行时间也是不确定。  uC/OS-II中把连续的大块内存按分区管理。每个分区中包含整数个大小相同的内存块,但不同分区之间的内存块大小可以不同。用户需要动态分配内存时,系统选择一个适当的分区,按块来分配内存。释放内存时将该块放回它以前所属的分区,这样能有效解决碎片问题,同时执行时间也是固定的。
任务间通信与同步
对一个多任务的操作系统来说,任务间的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4种同步对象,分别是信号量,邮箱,消息队列和事件。所有这些同步对象都有创建,等待,发送,查询的接口用于实现进程间的通信和同步。
任务调度
uC/OS-II 采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。  uC/os-II的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度,也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态,则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计,uC/OS-II规定所有任务的优先级不同,因而任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。
任务调度将在以下情况下发生:
1) 高优先级的任务因为需要某种临界资源,主动请求挂起,让出处理器,此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行,这种调度也称为任务级的上下文切换。  2) 高优先级的任务因为时钟节拍到来,在时钟中断的处理程序中,内核发现高优先级任务获得了执行条件(如休眠的时钟到时),则在中断态直接切换到高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的上下文切换。  这两种调度方式在uC/OS-II的执行过程中非常普遍,一般来说前者发生在系统服务中,后者发生在时钟中断的服务程序中。  调度工作的内容可以分为两部分:最高优先级任务的寻找和任务切换。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。u C / O S 中的每一个任务都有独立的堆栈空间,并有一个称为任务控制块TCB(Task Control Block)的数据结构,其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量OSTCBHighRdy 记录当前最高级就绪任务的TCB 地址,然后调用OS_TASK_SW()函数来进行任务切换。
μC/OS-II的组成部分
μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信,CPU的移植等5个部分。  1) 核心部分(OSCore.c)  是操作系统的处理核心,包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。  2) 任务处理部分(OSTask.c)  任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的,所以这部分内容也相当重要。  3) 时钟部分(OSTime.c)  μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick(时钟节拍)。任务延时等操作是在这里完成的。  4) 任务同步和通信部分  为事件处理部分,包括信号量、邮箱、消息队列、事件标志等部分;主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。  5) 与CPU的接口部分  是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统,所以对于关键问题上的实现,还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针,所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。
μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信,CPU的移植等5个部分。  核心部分(OSCore.c) 是操作系统的处理核心,包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。  任务处理部分(OSTask.c) 任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的,所以这部分内容也相当重要。  时钟部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick(时钟节拍)。任务延时等操作是在这里完成的。  任务同步和通信部分 为事件处理部分,包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分;主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。  与CPU的接口部分 是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统,所以对于关键问题上的实现,还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针,所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。
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