基于NIOS II的uC/OS系統的開(kāi)發(fā)

1、uC/OSII簡(jiǎn)介

u C / O S 是一種免費公開(kāi)源代碼、結構小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內核的實(shí)時(shí)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(zhuān)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(fā)布在該雜志的B B S 上。

μC/OS 和μC/OS-II 是專(zhuān)門(mén)為計算機的嵌入式應用設計的， 絕大部分代碼是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。CPU 硬件相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的、總量約200行的匯編語(yǔ)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(hù)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中。μC/OS-II 具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)， 最小內核可編譯至 2KB 。μC/OS-II 已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU 上。

嚴格地說(shuō)uC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統內核，它僅僅包含了任務(wù)調度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒(méi)有提供輸入輸出管理，文件系統，網(wǎng)絡(luò )等額外的服務(wù)。但由于uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開(kāi)放，這些非必須的功能完全可以由用戶(hù)自己根據需要分別實(shí)現。

uC/OS-II目標是實(shí)現一個(gè)基于優(yōu)先級調度的搶占式的實(shí)時(shí)內核，并在這個(gè)內核之上提供最基本的系統服務(wù)，如信號量，郵箱，消息隊列，內存管理，中斷管理等。

1.1任務(wù)管理

uC/OS-II 中最多可以支持64 個(gè)任務(wù)，分別對應優(yōu)先級0～63，其中0 為最高優(yōu)先級。63為最低級，系統保留了4個(gè)最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個(gè)最低優(yōu)先級的任務(wù)，所有用戶(hù)可以使用的任務(wù)數有56個(gè)。

uC/OS-II提供了任務(wù)管理的各種函數調用，包括創(chuàng )建任務(wù)，刪除任務(wù)，改變任務(wù)的優(yōu)先級，任務(wù)掛起和恢復等。

系統初始化時(shí)會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，該任務(wù)僅給一個(gè)整形變量做累加運算;另一個(gè)是系統任務(wù)，它的優(yōu)先級為次低，該任務(wù)負責統計當前cpu的利用率。

1.2 時(shí)間管理

uC/OS-II的時(shí)間管理是通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現的，該定時(shí)中斷一般為10毫秒或100毫秒發(fā)生一次，時(shí)間頻率取決于用戶(hù)對硬件系統的定時(shí)器編程來(lái)實(shí)現。中斷發(fā)生的時(shí)間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個(gè)時(shí)鐘節拍。

uC/OS-II要求用戶(hù)在定時(shí)中斷的服務(wù)程序中，調用系統提供的與時(shí)鐘節拍相關(guān)的系統函數，例如中斷級的任務(wù)切換函數，系統時(shí)間函數。

1.3 內存管理

在A(yíng)NSI C中是使用malloc和free兩個(gè)函數來(lái)動(dòng)態(tài)分配和釋放內存。但在嵌入式實(shí)時(shí)系統中，多次這樣的操作會(huì )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(shí)間也是不確定。

uC/OS-II中把連續的大塊內存按分區管理。每個(gè)分區中包含整數個(gè)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(hù)需要動(dòng)態(tài)分配內存時(shí)，系統選擇一個(gè)適當的分區，按塊來(lái)分配內存。釋放內存時(shí)將該塊放回它以前所屬的分區，這樣能有效解決碎片問(wèn)題，同時(shí)執行時(shí)間也是固定的。

1.4 任務(wù)間通信與同步

對一個(gè)多任務(wù)的操作系統來(lái)說(shuō)，任務(wù)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(chuàng )建，等待，發(fā)送，查詢(xún)的接口用于實(shí)現進(jìn)程間的通信和同步。

1.5 任務(wù)調度

uC/OS-II 采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內核在任何時(shí)候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。

uC/os-II的任務(wù)調度是完全基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調度，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的處理器資源。為了簡(jiǎn)化系統設計，uC/OS-II規定所有任務(wù)的優(yōu)先級不同，因為任務(wù)的優(yōu)先級也同時(shí)唯一標志了該任務(wù)本身。

uC/OS-II詳細用法可參考相關(guān)資料。

2、FPGA下的uC/OS-II

下面就介紹怎樣在以黑金開(kāi)發(fā)板EP2C208上進(jìn)行uC/OSII實(shí)驗。

第一步：添加一個(gè)用于系統時(shí)鐘節拍的定時(shí)器timer_ucos，定時(shí)時(shí)間為100ms(根據任務(wù)定)。

第二步：在Nios下設置相關(guān)選項。請看下面操作步驟。

打開(kāi)Quart II工程，以黑金開(kāi)發(fā)板EP2C208的工程為例，進(jìn)入SOPC Builder界面下如圖：

在左側的“System Contents”下單擊Peripherais的左側“

”;在彈出的菜單下單擊Microcotroller Peripherais的左側“

”;如下圖。

找到 “Interval Timer”并雙擊，彈出如下圖并按下圖進(jìn)行相關(guān)設置，單擊完成。

命名為timer_ucos;如下圖。

時(shí)鐘節拍定時(shí)器到此已添加完成，單擊Generate按鈕生成SOPC系統。

接下來(lái)對Quart II工程進(jìn)行編譯并把 “.pof”通過(guò)AS接口下接到EPCS中。至此Quart II工程工作完畢.。