嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II簡(jiǎn)介及其應用

早在上世紀六十年代，就已經(jīng)有人開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統。但直到最近，它才在國內被越來(lái)越多的提及。其在通信、電子、自動(dòng)化等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域所日益顯現的重要性吸引了人們越來(lái)越多的注意力。針對國內大部分用戶(hù)使用的51系列的8位處理器，我們可以選擇μC/OS-II 。

μC/OS-II是由Labrosse先生編寫(xiě)的一個(gè)開(kāi)放式的內核，它最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)的自由軟件。這一點(diǎn)對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)可謂利弊各半;好處在于，一方面它是免費的;另一方面用戶(hù)可以根據自己的需要對它進(jìn)行修改。壞處在于，它缺乏必要的支持。它沒(méi)有功能強大的軟件包，用戶(hù)通常得自己編寫(xiě)驅動(dòng)程序，特別當用戶(hù)使用的是不太常用的單片機，還必須自己編寫(xiě)移植程序。

μC/OS-II特點(diǎn)

(1) μC/OS-II是一個(gè)占先式的內核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權。

這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內核要好。通常我們都是在中斷服務(wù)程序中使高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)(例如發(fā)信號)，這樣退出中斷服務(wù)程序后，將進(jìn)行任務(wù)切換，高優(yōu)先級任務(wù)將被執行。但是因為我們無(wú)法確定發(fā)生中斷時(shí)程序到底執行到了什么地方，我們也就無(wú)法判斷要經(jīng)過(guò)多長(cháng)時(shí)間數據處理程序才會(huì )執行，中斷響應時(shí)間無(wú)法確定，系統的實(shí)時(shí)性不強。

如果使用μC/OS-II的話(huà)，我們只要把數據處理程序的優(yōu)先級設定的高一些，并在中斷服務(wù)程序中使它進(jìn)入就緒態(tài)，中斷結束后數據處理程序就會(huì )被立即執行。這樣我們可以把中斷響應時(shí)間限制在一定的范圍內。對于一些對中斷響應時(shí)間有嚴格要求的系統，這是必不可少的。

(2)μC/OS-II和我們所知道的Linux等分時(shí)操作系統不同，不支持時(shí)間片輪轉法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)操作系統。每一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級必須不同 (分析它的源碼會(huì )發(fā)現，mC/OS-II 把任務(wù)的優(yōu)先級當作任務(wù)的標識來(lái)使用，如果優(yōu)先級相同，任務(wù)將無(wú)法區分)。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權，只有等它交出CPU的使用權后，其他任務(wù)才可以被執行。

所以它只能說(shuō)是多任務(wù)，不能說(shuō)是多進(jìn)程，至少不是我們所熟悉的那種多進(jìn)程。μC/OS-II的這種特性是好是壞，主要看從什么角度來(lái)判斷。顯而易見(jiàn)，如果只考慮實(shí)時(shí)性，當然比分時(shí)系統好，它可以保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。

但是在系統中，重要任務(wù)畢竟是有限的，這就使得劃分其它任務(wù)的優(yōu)先權變成了一個(gè)讓人費神的問(wèn)題。另外，有些任務(wù)交替執行反而對用戶(hù)更有利。例如，用單片機控制兩小塊顯示屏時(shí)，無(wú)論是編程者還是使用者肯定希望它們同時(shí)工作，而不是顯示完一塊顯示屏的信息以后再顯示另一塊顯示屏的信息。

(3) μC/OS-II對共享資源提供了保護機制。μC/OS-II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統。我們可以把一個(gè)完整的程序劃分成幾個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)執行不同的功能。對于共享資源(比如串口)，μC/OS-II也提供了很好的解決辦法，一般情況下使用的是信號量方法。我們創(chuàng )建一個(gè)信號量并對它進(jìn)行初始化，當一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí)，它必須先申請得到這個(gè)信號量。在這個(gè)過(guò)程中即使有優(yōu)先權更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因為無(wú)法得到信號量，也不能使用該資源。在μC/OS-II中稱(chēng)為優(yōu)先級反轉。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是高優(yōu)先級任務(wù)必須等待低優(yōu)先級任務(wù)的完成。在上述情況下，在兩個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級反轉是無(wú)法避免的。所以在使用μC/OS-II時(shí)，我們必須對所開(kāi)發(fā)的系統了解清楚才能選擇對于某種共享資源是否使用信號量。

μC/OS-II在單片機中的應用

(1) 在單片機系統中嵌入μC/OS-II將增強系統的可靠性，并使得調試程序變得簡(jiǎn)單起來(lái)。我們經(jīng)常遇到編完程序時(shí)，在調試過(guò)程中要不是程序跑飛了，要不就是陷入死循環(huán)。如果在系統中嵌入μC/OS-II，我們可以把整個(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對獨立。然后在每個(gè)任務(wù)中設置超時(shí)函數，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出CPU的使用權。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問(wèn)題，也不會(huì )影響其它任務(wù)的運行。

這樣既提高了系統的可靠性，同時(shí)也使得調試程序變得容易。需要指出的是，這里所說(shuō)的容易是建立在開(kāi)發(fā)人員對μC/OS-II有所了解并有實(shí)際操作經(jīng)驗的基礎上的。

(2) 在單片機系統中嵌入μC/OS-II將增加系統的開(kāi)銷(xiāo)，這在許多書(shū)籍和資料中都提到過(guò)?，F在我們所使用的51系列單片機，其片內都帶有一定的RAM和ROM。對于一些簡(jiǎn)單的程序，如果采用傳統的編程方法，已經(jīng)不需要外擴存儲器了。

如果在其中嵌入μC/OS-II的話(huà)，在只需要使用任務(wù)調度、任務(wù)切換、信號量處理、延時(shí)或超時(shí)服務(wù)的情況下，也不需要外擴ROM了，但是外擴RAM是必須的。由于μC/OS-II是可裁減的操作系統，其所需要的RAM大小就依賴(lài)于我們對操作系統一些功能的選擇。嵌入μC/OS-II以后總的RAM需求可以由如下表達式得出：

RAM總需求=應用程序的RAM需求+內核數據區的RAM需求+(任務(wù)棧需求+最大中斷嵌套棧需求)×任務(wù)數

所幸的是μC/OS-II可以對每個(gè)任務(wù)分別定義堆?？臻g的大小，我們可根據任務(wù)的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行?？臻g的分配。但不管怎么說(shuō)，在RAM容量有限的情況下，我們還是應該注意一下對大型數組、數據結構和函數的使用，別忘了，函數的形參也是要推入堆棧的。

(3) μC/OS-II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果我們手中沒(méi)有現成的移植實(shí)例的話(huà)，我們就必須自己來(lái)編寫(xiě)移植代碼。雖然只需要改動(dòng) 兩個(gè)文件，但仍需要對相應的微處理器比較熟悉才行。最好參照已有的移植實(shí)例。另外，即使我們有移植實(shí)例，在編程前最好也要閱讀一下，因為里面牽扯到堆棧操作。我們在編寫(xiě)中斷服務(wù)程序時(shí)，把寄存器推入堆棧的順序必須與移植代碼中的順序相對應。

(4) 和其它一些著(zhù)名的嵌入式操作系統不同，μC/OS-II在單片機系統中的啟動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。μC/OS-II的內核是和應用程序放在一起編譯成一個(gè)文件的，我們只需要把這個(gè)文件轉換成HEX格式，寫(xiě)入ROM中就可以了。上電后，它會(huì )像普通的單片機程序一樣運行。

結語(yǔ)

從以上的分析中我們不難看出，是否在單片機系統中嵌入μC/OS-II取決于使用者所要開(kāi)發(fā)的項目。對于實(shí)時(shí)性，可靠性要求較強的項目，特別是大型項目，最好使用μC/OS-II;而對于一些簡(jiǎn)單的，成本要求低的項目，就沒(méi)必要這么麻煩。