細說(shuō)μC/OS-II

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統自1998年推出以來(lái)，因其方便移植、代碼量小、實(shí)時(shí)性強、可靠性高、內核可剪裁等優(yōu)點(diǎn)，成為我國計算機嵌入式應用領(lǐng)域最受喜愛(ài)的實(shí)時(shí)操作系統(Real-Time Opreating System)之一。由于其源碼開(kāi)源，至今，已經(jīng)成功在諸多廠(chǎng)家的MCU上移植并應用在各行各業(yè)的電子產(chǎn)品之中，因而備受矚目。此文幫助有意向學(xué)習μC/OS-II的初學(xué)者全面的、系統的了解實(shí)時(shí)系統的核心思想，也為正在學(xué)習μC/OS-II的童鞋們理清思路，更上層樓。

什么是μC/OS-II?

μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，包含了任務(wù)調度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信與同步等基本功能。

如何實(shí)現多任務(wù)?

在μC/OS-II系統中，大多數情況下，1個(gè)任務(wù)就是一個(gè)死循環(huán)，特殊情況是，有的任務(wù)執行1次后直接銷(xiāo)毀自己。既然是死循環(huán)如何實(shí)現多任務(wù)呢?這就涉及到一個(gè)完整的任務(wù)調度機制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是給每個(gè)任務(wù)設置合適的優(yōu)先級，CPU只有一個(gè)，優(yōu)先級高的任務(wù)可以搶占優(yōu)先級低的任務(wù)，而獨占CPU。在μC/OS-II中，系統可以管理64個(gè)任務(wù)，有8個(gè)任務(wù)預留給系統，用戶(hù)最多可以創(chuàng )建56個(gè)任務(wù)，而實(shí)質(zhì)上用戶(hù)不應該創(chuàng )建過(guò)多的任務(wù)，因為這樣的話(huà)，優(yōu)先級最低的任務(wù)可能無(wú)法得到執行。

何時(shí)執行任務(wù)調度

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，高優(yōu)先級的就緒任務(wù)發(fā)生時(shí)，會(huì )搶占低優(yōu)先級任務(wù)的CPU，這時(shí)系統就會(huì )自動(dòng)執行任務(wù)調度。在任務(wù)銷(xiāo)毀時(shí)，掛起時(shí)，延時(shí)時(shí)，中斷退出時(shí)都會(huì )啟動(dòng)任務(wù)調度。

這里舉個(gè)例子，假如下面這段程序具有2個(gè)用戶(hù)任務(wù)LED1_TASK，和KEY_TASK。KEY_TASK的任務(wù)優(yōu)先級較高，這段程序無(wú)法實(shí)現預期的功能，會(huì )出現什么問(wèn)題呢?

LED閃燈任務(wù)無(wú)法得到執行，因為程序一直的執行按鍵掃描，其優(yōu)先級較高(這里假定沒(méi)有中斷發(fā)生)一直在獨占CPU，而沒(méi)有釋放，也就是無(wú)法執行任務(wù)調度，在LED任務(wù)中，調用OSTimeDly()函數的同時(shí)，LED任務(wù)即被掛起，交出CPU的控制權，同時(shí)執行任務(wù)調度，系統會(huì )選擇一個(gè)處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)來(lái)執行。

舉上面這個(gè)例子是為了說(shuō)明任務(wù)調度是在一定情況下發(fā)生的，因為是搶占式的，為了讓低優(yōu)先級的任務(wù)得到執行，高優(yōu)先級任務(wù)必須在適當的情況下交出CPU，如果在KEY_TASK任務(wù)中，在獲取按鍵信息后面調用OSTimeDly()函數，即可使LED閃燈任務(wù)得到執行。

關(guān)于中斷

中斷在實(shí)時(shí)操作系統中具有舉足輕重的作用，所以中斷程序的設計無(wú)疑是編程的要點(diǎn)及難點(diǎn)，在多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統中，不同的中斷任務(wù)被安排不同的優(yōu)先級，在允許中斷嵌套的情況下，最高優(yōu)先級的中斷總能得到及時(shí)響應。中斷級的任務(wù)可以看成是比最高優(yōu)先級的任務(wù)級任務(wù)的優(yōu)先級還要高。在用戶(hù)中斷服務(wù)程序內部，要盡可能的縮短代碼量，不要做耗時(shí)的操作，正確的做法是調用任務(wù)級任務(wù)進(jìn)行相關(guān)的數據處理。

同樣，問(wèn)題來(lái)了，在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)某個(gè)任務(wù)級任務(wù)就緒，是否立即進(jìn)行任務(wù)調度，答案是否定的，因為任務(wù)級任務(wù)的優(yōu)先級不夠，需等待中斷服務(wù)程序退出，那系統如何知道中斷服務(wù)程序是否結束了呢，這就需要的中斷程序內部調用系統服務(wù)函數OSIntExit();以此來(lái)觸發(fā)任務(wù)調度。

硬實(shí)時(shí)與軟實(shí)時(shí)

這里說(shuō)一下硬實(shí)時(shí)與軟實(shí)時(shí)的區別，能夠在指定的期限完成實(shí)時(shí)任務(wù)(即便在最壞的處理負載下也能如此)的操作系統稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)系統。但并不是任何情況下都需要硬實(shí)時(shí)支持。如果操作系統在平均情況下能支持任務(wù)的執行期限，則稱(chēng)它為軟實(shí)時(shí)系統。

RTOS的優(yōu)勢是硬實(shí)時(shí)控制，硬實(shí)時(shí)不是指“快”，而是指可精確預測可控制，能保證在規定時(shí)間內完成任務(wù)。因為執行時(shí)間可預測，所以當你想快時(shí)，只要選一個(gè)速度合適的CPU即可，這個(gè)需要的速度在μC/OS-II系統中是可以精確算出來(lái)的。軟實(shí)時(shí)系統的時(shí)限是一個(gè)柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯誤。失敗造成的后果并不嚴重。

舉個(gè)例子，汽車(chē)發(fā)生危險時(shí)，汽車(chē)氣囊彈出必須在一定時(shí)間內完成，晚一秒都會(huì )造成致命傷害(硬實(shí)時(shí))。而在圖像傳輸過(guò)程中，偶爾丟失1幀圖像數據是可以容忍的(軟實(shí)時(shí))。

任務(wù)同步與數據通信

毫無(wú)疑問(wèn)，任務(wù)之間都不是相互割裂的，需要進(jìn)行數據或者信息的交互，為此，μC/OS-II系統提供了用于任務(wù)間通信的手段。任務(wù)之間可以通過(guò)信號量，事件標志組，消息郵箱，消息隊列進(jìn)行同步。而數據通信最簡(jiǎn)單的方式是采用全局變量來(lái)共享資源，這里面涉及到保障數據可靠性的問(wèn)題，比如，當一個(gè)任務(wù)正在讀數據的時(shí)候，還沒(méi)有讀完，這時(shí)一個(gè)中斷觸發(fā)高級別的任務(wù)運行，高級別的任務(wù)要更新數據，這就會(huì )導致低級別任務(wù)讀出來(lái)的數據是錯誤的。未解決此問(wèn)題，可以采用關(guān)中斷、關(guān)調度、使用互斥信號量、使用計數信號量來(lái)解決，關(guān)中斷與關(guān)調度比較生硬，也違反了系統的實(shí)時(shí)性設計原則，因此推薦使用互斥信號量來(lái)解決，所謂互斥信號量，相當于一個(gè)鑰匙，鑰匙只有一個(gè)，當一個(gè)任務(wù)要訪(fǎng)問(wèn)該資源時(shí)，必須先取得該鑰匙。

時(shí)鐘節拍

μC/OS-II需要用戶(hù)提供一個(gè)周期性的中斷來(lái)實(shí)現延時(shí)和超時(shí)等操作，這個(gè)周期性的時(shí)鐘叫“時(shí)鐘節拍”，其頻率范圍通常在10~1000Hz之間。時(shí)鐘節拍的頻率大小取決于對定時(shí)精度的要求，頻率越高，系統的負擔越重。

問(wèn)題：時(shí)鐘節拍是否是μC/OS-II中必不可少的?沒(méi)有時(shí)鐘節拍系統是否能夠工作?

答案是：沒(méi)有時(shí)鐘節拍，系統照樣可以工作，只是無(wú)法進(jìn)行延時(shí)或者超時(shí)判斷，無(wú)法調用延時(shí)函數來(lái)進(jìn)行任務(wù)調度，但是仍然有其它方法可以進(jìn)行任務(wù)切換。