uC/OS-II 初級程序員指南

(一) uC/OS-II 簡(jiǎn)介

uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的硬實(shí)時(shí)內核。自從92年發(fā)布以來(lái),在世界各地都獲得了廣泛的應用,它是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式設備設計的內核,目前已經(jīng)被移植到40多種不同結構的CPU上,運行在從8位到64位的各種系統之上。尤其值得一提的是,該系統自從2.51版本之后,就通過(guò)了美國FAA認證,可以運行在諸如航天器等對安全要求極為苛刻的系統之上。鑒于uC/OS-II可以免費獲得代碼,對于嵌入式RTOS而言,選擇uC/OS無(wú)疑是最經(jīng)濟的選擇。

(二) uC/OS-II　應用程序基本結構

應用uC/OS-II,自然要為它開(kāi)發(fā)應用程序,下面論述基于uC/OS-II的應用程序的基本結構以及注意事項。

每一個(gè)uC/OS-II應用至少要有一個(gè)任務(wù)。而每一個(gè)任務(wù)必須被寫(xiě)成無(wú)限循環(huán)的形式。以下是推薦的結構：

void task ( void* pdata )

{

INT8U err;

InitTimer(); // 可選

For( ;; )

{

// 你的應用程序代碼

…….

……..

OSTimeDly(1); // 可選

}

}

以上就是基本結構,至于為什么要寫(xiě)成無(wú)限循環(huán)的形式呢?那是因為系統會(huì )為每一個(gè)任務(wù)保留一個(gè)堆?？臻g,由系統在任務(wù)切換的時(shí)候換恢復上下文,并執行一條reti 指令返回。如果允許任務(wù)執行到最后一個(gè)花括號(那一般都意味著(zhù)一條ret指令)的話(huà),很可能會(huì )破壞系統堆?？臻g從而使應用程序的執行不確定。換句話(huà)說(shuō),就是“跑飛”了。所以,每一個(gè)任務(wù)必須被寫(xiě)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使用權的,而不管是系統強制(通過(guò)ISR)還是主動(dòng)放棄(通過(guò)調用OS API)。

現在來(lái)談?wù)撋厦娉绦蛑械腎nitTimer()函數,這個(gè)函數應該由系統提供,程序員有義務(wù)在優(yōu)先級最高的任務(wù)內調用它而且不能在for循環(huán)內調用。注意,這個(gè)函數是和所使用的CPU相關(guān)的,每種系統都有自己的Timer初始化程序。在uC/OS-II的幫助手冊?xún)?作者特地強調絕對不能在OSInit()或者OSStart()內調用Timer初始化程序,那會(huì )破壞系統的可移植性同時(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)先級最高的程序內調用,這樣可以保證當OSStart()調用系統內部函數OSStartHighRdy()開(kāi)始多任務(wù)后,首先執行的就是Timer初始化程序?；蛘邔?zhuān)門(mén)開(kāi)一個(gè)優(yōu)先級最高的任務(wù),只做一件事情,那就是執行Timer初始化,之后通過(guò)調用OSTaskSuspend()將自己掛起來(lái),永遠不再執行。不過(guò)這樣會(huì )浪費一個(gè)TCB空間。對于那些RAM吃緊的系統來(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(kāi)發(fā),并不要求大而全,所以?xún)群颂峁┑腁PI也就大多和多任務(wù)息息相關(guān)。主要的有以下幾類(lèi)：

1)任務(wù)類(lèi)

2)消息類(lèi)

3)同步類(lèi)

4)時(shí)間類(lèi)

5)臨界區與事件類(lèi)

我個(gè)人認為對于初級程序員而言,任務(wù)類(lèi)和時(shí)間類(lèi)是必須要首先掌握的兩種類(lèi)型的API。下面我就來(lái)介紹比較重要的：

1) OSTaskCreate函數

這個(gè)函數應該至少再main函數內調用一次,在OSInit函數調用之后調用。作用就是創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)。目前有四個(gè)參數,分別是任務(wù)的入口地址,任務(wù)的參數,任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級。調用本函數后,系統會(huì )首先從TCB空閑列表內申請一個(gè)空的TCB指針,然后將會(huì )根據用戶(hù)給出參數初始化任務(wù)堆棧,并在內部的任務(wù)就緒表內標記該任務(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

這個(gè)函數很簡(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。如果掛起的是當前任務(wù)的話(huà),那么還會(huì )引發(fā)系統執行任務(wù)切換先導函數OSShed來(lái)進(jìn)行一次任務(wù)切換。這個(gè)函數只有一個(gè)參數,那就是指定任務(wù)的優(yōu)先級。那為什么是優(yōu)先級呢?事實(shí)上在系統內部,優(yōu)先級除了表示一個(gè)任務(wù)執行的先后次序外,還起著(zhù)分別每一個(gè)任務(wù)的作用,換句話(huà)說(shuō),優(yōu)先級也就是任務(wù)的ID。所以uC/OS-II不允許出現相同優(yōu)先級的任務(wù)。

3) OSTaskResume函數

這個(gè)函數和上面的函數正好相反,它用于將指定的已經(jīng)掛起的函數恢復成就緒狀態(tài)。如果恢復任務(wù)的優(yōu)先級高于當前任務(wù),那么還為引發(fā)一次任務(wù)切換。其參數類(lèi)似OSTaskSuspend函數,為指定任務(wù)的優(yōu)先級。需要特別說(shuō)明是,本函數并不要求和OSTaskSuspend函數成對使用。

4) OS_ENTER_CRITICAL宏

很多人都以為它是個(gè)函數,其實(shí)不然,仔細分析一下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。一般都被替換為一條或者幾條嵌入式匯編代碼。由于系統希望向上層程序員隱藏內部實(shí)現,故而一般都宣稱(chēng)執行此條指令后系統進(jìn)入臨界區。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,

別的任務(wù)就沒(méi)有占用CPU的機會(huì )了,相對這個(gè)任務(wù)而言,它就是獨占了。所以說(shuō)進(jìn)入臨界區了。這個(gè)宏能少用還是少用,因為它會(huì )破壞系統的一些服務(wù),尤其是時(shí)間服務(wù)。并使系統對外界響應性能降低。

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,它在系統手冊里的說(shuō)明是退出臨界區。其實(shí)它就是重新開(kāi)中斷。需要注意的是,它必須和上面的宏成對出現,否則會(huì )帶來(lái)意想不到的后果。最壞的情況下,系統會(huì )崩潰。我們推薦程序員們盡量少使用這兩個(gè)宏調用,因為他們的確會(huì )破壞系統的多任務(wù)性能。

6) OSTimeDly函數

這應該程序員們調用最多的一個(gè)函數了,這個(gè)函數完成功能很簡(jiǎn)單,就是先掛起當起當前任務(wù),然后進(jìn)行任務(wù)切換,在指定的時(shí)間到來(lái)之后,將當前任務(wù)恢復為就緒狀態(tài),但是并不一定運行,如果恢復后是優(yōu)先級最高就緒任務(wù)的話(huà),那么運行之。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō),就是可以任務(wù)延時(shí)一定時(shí)間后再次執行它,或者說(shuō),暫時(shí)放棄CPU的使用權。一個(gè)任務(wù)可以不顯式的調用這些可以導致放棄CPU使用權的API,但那樣多任務(wù)性能會(huì )大大降低,因為此時(shí)僅僅依靠時(shí)鐘機制在進(jìn)行任務(wù)切換。一個(gè)好的任務(wù)應該在完成一些操作主動(dòng)放棄使用權,好東西要大家分享嘛!

(四) uC/OS-II 多任務(wù)實(shí)現機制分析

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò),uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的多任務(wù)內核。那么,它的多任務(wù)機制到底如何實(shí)現的呢?了解這些原理,可以幫助我們寫(xiě)出更加健壯的代碼來(lái)。由于我們面向的初級程序員,本文不打算寫(xiě)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)現原理的角度探討這個(gè)問(wèn)題。