嵌入式操作系統μC/OS-II的內核實(shí)現
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以前在我們一般所使用的系統中，任務(wù)沒(méi)有優(yōu)先級之分。應用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，任務(wù)函數按在代碼中的順序運行，處理相應的事務(wù)。時(shí)間相關(guān)性強的任務(wù)處理使用中斷機制，但是當系統比較復雜、中斷資源有限時(shí)，中斷程序只能將處理該任務(wù)的信息條件準備好后返回。當程序按順序沒(méi)有執行到該任務(wù)時(shí)，該任務(wù)的執行必須等待，所以將會(huì )造成任務(wù)每次的執行時(shí)間間隔不定，不能及時(shí)處理緊急事務(wù)，影響系統的運行。這種情況在要求限定時(shí)間內周期性處理事務(wù)的系統中是不允許發(fā)生的，而且只由應用者編寫(xiě)的復雜程序很可能會(huì )出現Bug。
嵌入式操作系統是實(shí)時(shí)操作系統，運行于特定的硬件平臺上，一般包括處理器、存儲器及外設器件和I／O端口，包括操作系統軟件，要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作，用戶(hù)可以在其基礎上添加應用程序。使用嵌入式操作系統的用戶(hù)只需添加所需的任務(wù)到操作系統中即可，既節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，又提高程序的可靠性。
2UC/OSII及其任務(wù)介紹
UC/OSII(Micro Control Operation System Two)是一種源代碼公開(kāi)的嵌入式操作系統，程序絕大部分是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，帶有少量的匯編程序，并且有詳細的說(shuō)明和示例，可移植性好、易調試，穩定性與可靠性高，功能也比較完善。UC/OSII和其他大部分的嵌入式操作系統的內核都是占先式內核，被分為最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦準備就緒，立刻就能得到CPU的控制權，可以剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權，處理系統最緊急的事務(wù)。
UC/OSII的任務(wù)實(shí)際是一段程序，執行特定的功能，擁有自己的代碼和堆?？臻g（保存該任務(wù)的寄存器、返回地址和臨時(shí)參數），一般都是空函數，不會(huì )返回任何值。任務(wù)執行一次后，設置延時(shí)參數OSTCBDly,表明在經(jīng)過(guò)OSTCBDly個(gè)時(shí)鐘周期后再次運行，然后任務(wù)進(jìn)行切換，使其他任務(wù)運行。
例如：
void Task(void)
{ 參數定義
for(;;) {
任務(wù)執行代碼
OSTimeDly( ) 延時(shí)函數 ;清除任務(wù)就緒標志，設置延時(shí)的時(shí)鐘周期參數，調用OSSched( )進(jìn)行任務(wù)調度
} }
3UC/OSII的內核數據結構
(1) 任務(wù)控制塊OS_TCB
(2) 任務(wù)就緒表OSRdyTbl［］和OSRdyGrp
每個(gè)任務(wù)的就緒狀態(tài)標志都放入就緒表中(如圖1所示)，OSRdyTbl［ ］中的每一位為1表示相應優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，OSRdyGrp中的每一位為1，表示每8個(gè)為一組的任務(wù)中至少有1個(gè)已經(jīng)就緒，值越小優(yōu)先級越高。
4UC/OSII內核的運行機制
任何計算機系統都有時(shí)鐘，他是計算機世界的時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)中斷，產(chǎn)生時(shí)間間隔，每個(gè)間隔是任務(wù)執行的時(shí)間周期，在一個(gè)間隔內所有應該執行的任務(wù)都應執行一次，不能因為時(shí)間間隔太小而有的任務(wù)沒(méi)有時(shí)間執行。因此，任務(wù)的多少、時(shí)間周期的確定、CPU的選擇需仔細考慮，確保在一個(gè)周期內CPU任務(wù)的運行時(shí)間所占比重不要太大。
主程序首先對系統進(jìn)行初始化，給各個(gè)參數賦值，根據任務(wù)的多少來(lái)建立任務(wù)控制塊鏈表，并且首先建立一個(gè)最低優(yōu)先級的空閑任務(wù)，當沒(méi)有其他任務(wù)需要運行時(shí)，對一個(gè)變量進(jìn)行累加計算來(lái)計算空閑時(shí)間。任務(wù)創(chuàng )建函數分配的一塊內存，保存寄存器的值和該任務(wù)的代碼地址，再把堆棧的地址存入任務(wù)控制塊，從而把任務(wù)程序代碼、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊聯(lián)系在一起。操作系統內核可以通過(guò)任務(wù)控制塊找到任務(wù)堆棧，從堆棧中取得任務(wù)代碼地址?；窘Y構如圖2所示。
任務(wù)的切換發(fā)生在2個(gè)時(shí)候，第1個(gè)是當某一任務(wù)運行完畢時(shí)就調用延時(shí)函數，使自身延時(shí)一個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)行任務(wù)切換，運行就緒的最高優(yōu)先級最高任務(wù)；第2個(gè)是每一次時(shí)鐘周期中斷后，中斷程序處理事務(wù)時(shí)，可能使一些任務(wù)運行準備就緒，然后重新整理和搜索任務(wù)就緒表，進(jìn)行任務(wù)切換(如圖3所示)，選出其中的高優(yōu)先級任務(wù)運行。
嵌入式操作系統是多任務(wù)的，任務(wù)切換是其核心技術(shù)，由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。任務(wù)切換函數OS_TASK_SW( )被設置成中斷函數，調用時(shí)使用的是軟件中斷指令，這樣在進(jìn)入中斷程序之前，當前任務(wù)的代碼地址和狀態(tài)字就自動(dòng)保存在當前任務(wù)的堆棧頂部。下面用8086的程序舉例切換函數： 6結語(yǔ)
(1) _OS_TASK_SW(或_OSIntCtxSw)PROC FAR中斷程序。
(2) PUSH指令該指令針對_OS_TASK_SW，保存當前任務(wù)寄存器到該任務(wù)的堆棧，代碼地址已經(jīng)保存。
(3) ADD SP，n該指令針對_OSIntCtxSw，因為該函數由中斷程序調用，運行他之前曾調用一些函數，堆棧發(fā)生變化，所以需要調整，去掉前幾個(gè)函數的保存地址和參數，而代碼地址在發(fā)生中斷時(shí)就已經(jīng)保存。
(4) 保存該任務(wù)的當前堆棧地址到該任務(wù)控制塊OS_TCB，即保存SS和SP。
(5) 調入已就緒最高優(yōu)先級任務(wù)控制塊，取出其原來(lái)保存的任務(wù)堆棧地址，即賦值給SS和SP。
(6) POP指令恢復新任務(wù)的寄存器。
(7) IRET中斷指令返回時(shí)，CPU從堆棧頂部即SS:SP指向的位置取出以前所保存的代碼地址和狀態(tài)字，并從此地址恢復原來(lái)任務(wù)的運行。
5程序舉例
一個(gè)最簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統8086程序例子：在主程序運行完畢后，各任務(wù)開(kāi)始輪流執行。
UC/OSII還有時(shí)間管理、內存分配的功能，并且使用了信號量、郵箱和信息隊列，使各任務(wù)之間可以互相通訊，協(xié)調對各種事務(wù)的管理，適用于小型的高端CPU。已經(jīng)有許多公司以其為核心，進(jìn)行功能擴展，從而開(kāi)發(fā)自己的嵌入式操作系統，并且由于其代碼簡(jiǎn)練，JEAN J.LABROSSE專(zhuān)門(mén)寫(xiě)書(shū)對其講解，也可以非常好地用于教學(xué)。
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