學(xué)習RTOS 使用RTOS

長(cháng)期以來(lái)，計算機科學(xué)專(zhuān)家們的杰作--實(shí)時(shí)系統（RTOS）與嵌入式應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師的理念之間存在著(zhù)一道明顯的溝壑。RTOS如陽(yáng)春白雪和者甚寡。分析我國推動(dòng)計算機嵌入式應用發(fā)展的這支隊伍可以發(fā)現，他們中絕大多數是各個(gè)應用領(lǐng)域的專(zhuān)家，而沒(méi)有受過(guò)計算機專(zhuān)業(yè)方面的專(zhuān)門(mén)訓練。很多人都是從自學(xué)8位微處理器Z-80開(kāi)始的，缺乏對計算機科學(xué)方面系統的理論知識的深層次理解。在8位CPU的嵌入式應用中這種矛盾并不突出，而當嵌入式應用走向32位，應用程序越來(lái)越復雜時(shí)，就顯得力不從心。而科班出身的計算機專(zhuān)家又不可能對各個(gè)應用領(lǐng)域都熟悉。多數應用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員習慣于畫(huà)一塊印刷線(xiàn)路板，畫(huà)個(gè)程序框圖，編一個(gè)軟件，試一試，于是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)就完成了。從計算機科學(xué)的角度來(lái)看，不但開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品存在著(zhù)諸多的不安全隱患，這種開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的方法本身就不夠科學(xué)。RTOS是計算機專(zhuān)家們多年潛心研究的成果，使用RTOS不僅增加了嵌入式應用系統的可靠性，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且應用程序的維護也會(huì )方便許多。

在嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中使用RTOS有很多好處，歸納起來(lái)主要有以下幾方面，首先RTOS支持多任務(wù)，應用程序被分解成多個(gè)任務(wù)，程序開(kāi)發(fā)變得更加容易，便于維護，易讀易懂。提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。再者，計算機對關(guān)鍵事件的處理在延遲時(shí)間上有保證，即系統的實(shí)時(shí)性可以保證好于某一確定的值。還有系統的穩定性、可靠性會(huì )得到提高。例如可以增加一些用于監控各任務(wù)運行狀態(tài)的任務(wù)來(lái)提高系統的可靠性。

價(jià)格因素限制了RTOS在我國嵌入式應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的推廣與普及。也許這才是和者甚寡的最主要原因。多數RTOS的商業(yè)產(chǎn)品都相當的貴，著(zhù)名的RTOS價(jià)位在2萬(wàn)到3萬(wàn)美元之間，國內只有少數實(shí)力雄厚的單位買(mǎi)得起。使用中，由于許多商業(yè)RTOS軟件都是所謂的黑盒子，即不提供源代碼，用戶(hù)知其然未必知其所以然。理解不透，用得不好，RTOS的優(yōu)勢也就不能全發(fā)揮出來(lái)。有些商業(yè)軟件還要對開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品按件收費，費率從幾美元到上百美元。給產(chǎn)品增加力額外的成本。

隨著(zhù)操作系統走向開(kāi)放，越來(lái)越多的帶源代碼的無(wú)版稅軟件、自由軟件得到了廣泛的認可與應用。自由軟件Linux和可用于嵌入式應用的μCLinux的出現使RTOS不再神秘。一些商業(yè)RTOS軟件開(kāi)始公開(kāi)源碼。RTOS的一些自由軟件頻頻在網(wǎng)上出現，自由軟件μC /OS和廉價(jià)的μC/OS－Ⅱ就是很好的例子。RTOS的春天來(lái)了，廣大嵌入式應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師與計算機專(zhuān)家間的溝壑在逐漸填平。

μC/OS出自于美國的一位嵌入式系統專(zhuān)家Jean J.Labrosse。他后來(lái)成為嵌入式系統會(huì )議的顧問(wèn)委員會(huì )委員，并在每年的嵌入式系統會(huì )議上講演。最早的文章連載在美國1992年<<嵌入式系統編程>>雜志的5月和6月刊上。源碼發(fā)布在該雜志的BBS上。1993年，美國的R&D出版社出了一本叫做μC/OS the Real Time Kernel的書(shū)，后來(lái)的幾年中書(shū)的銷(xiāo)量超過(guò)了15，000冊。世界上數以千計的工程技術(shù)人員將μC/OS應用到了各個(gè)領(lǐng)域，如照像機業(yè)、醫療儀器、音響設備、發(fā)動(dòng)機控制、網(wǎng)絡(luò )接入設備、高速公路電話(huà)系統、ATM機、工業(yè)機器人等。近10年的應用史證明，這個(gè)RTOS是穩定可靠的，且不斷有新版本推出。

μC/OS已經(jīng)將移植到了幾乎所有知名的CUP上。移植的范例可以從網(wǎng)上下載。μC/OS the Real Time Kernel一書(shū)中附一張軟盤(pán)，是μC/OS的版本1.08。關(guān)于版權，書(shū)中寫(xiě)到： 在您的應用中使用書(shū)中的代碼不需要許可證。但是您得指出您的產(chǎn)品中使用了μC/OS。如果是賣(mài)源碼得話(huà)，就有版權的問(wèn)題了。

1998年，作者決定出μC/OS的第二本書(shū)μC/OS－Ⅱ the Real Time Kernel，并設立了正式的網(wǎng)站：WWW. uC/OS －Ⅱ.COM，給μC/OS增加了一些新的功能。并且增加了約200頁(yè)的解釋。當μC/OS的商業(yè)價(jià)值得到認可時(shí)，μC/OS－Ⅱ的版權政策也發(fā)生了變化，把目標代碼嵌入到商業(yè)產(chǎn)品中去也需要版稅了。最新版本的μC/OS－Ⅱ V2.51索價(jià)55.95美元。中國電力出版社購買(mǎi)了這本書(shū)的版權，譯成了中文版，于2001年8月出版，中文書(shū)名是<<μC/OS－Ⅱ源碼開(kāi)放的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統>>。

這是一本出色的教材，清華大學(xué)已在嵌入式系統與單片機教學(xué)中使用了這本書(shū)。書(shū)中不但給出了一個(gè)實(shí)時(shí)內核的全部源代碼，而且對這些代碼做了詳盡的解釋。對實(shí)時(shí)操作系統中的一些基本概念做了詳細的描述。源程序的寫(xiě)作風(fēng)格、注釋都相當規范、漂亮。讀了這本書(shū)就會(huì )弄明白，一段段的程序是怎么協(xié)調工作的。如果只是將數千行的程序代碼、數十個(gè)文件羅列在那里，讀起來(lái)會(huì )相當費勁。商業(yè)軟件不僅僅是貴，而即使有些軟件帶源代碼一起出售，也沒(méi)有哪一個(gè)解釋得如此詳盡。

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)言寫(xiě)的。CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的，總量約200行。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、連接等軟件工具，就可以將μC/OS－Ⅱ嵌入到開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中。

μC/OS和μC/OS－Ⅱ是占先式（Preemptive）多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，是基于優(yōu)先級的，即總是讓進(jìn)入就緒態(tài)的諸任務(wù)中優(yōu)先級最高的那個(gè)任務(wù)先運行。任務(wù)調度是用查表法完成的，速度快。每個(gè)任務(wù)都有互不相同的優(yōu)先級。有64個(gè)優(yōu)先級，最多支持64個(gè)任務(wù)。

μC/OS和μC/OS－Ⅱ的另一特點(diǎn)是可裁剪，即只嵌入用戶(hù)程序用得著(zhù)的那些函數，即產(chǎn)品中既可以只用幾個(gè)函數，也可以嵌入全部函數，這樣內核占用的ROM/RAM資源，就可以依據產(chǎn)品調整。裁剪是通過(guò)條件編譯實(shí)現的。作者盡了極大的努力，使內核占用的資源盡量少。

μC/OS－Ⅱ這本書(shū)中提供的內核源代碼以及幾個(gè)應用的例子是80x86 CPU為對象的。讀者可以在任何一臺PC機上用PC機上的標準的C編譯器對這些代碼編譯，然后在Windows中的DOS窗口下運行RTOS，邊讀書(shū),分析書(shū)中所附的源代碼，邊實(shí)踐,運行μC/OS－Ⅱ,找到RTOS的感覺(jué)以后，再把μC/OS－Ⅱ移植到自己熟悉的一種CPU上去?？梢詮木W(wǎng)上下載移植的范例。由于使用的編譯器不同，網(wǎng)上的范例未必能直接使用，故一定要讀一讀源代碼，用這種方式學(xué)習和掌握一個(gè)實(shí)時(shí)內核，直到有勇氣對它做一些改動(dòng)和優(yōu)化。因為μC/O-II是為了嵌入式應用編寫(xiě)的通用軟件，它不得不強調諸CPU有共性的那些方面，并將匯編代碼、CPU硬件相關(guān)部分代碼壓縮到最小，不可能照顧到不同CPU的各自特點(diǎn)。而我國的用戶(hù)一般對自己用過(guò)的一、兩種CPU非常熟悉。讀懂這些源碼以后，根據不同CPU的特長(cháng)，對μC/OS-II中相當多的函數可進(jìn)一步優(yōu)化，改善RTOS的實(shí)時(shí)性。

雖然μC/OS－II僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內核，但有了這個(gè)內核就有了良好的開(kāi)始。在此基礎上許多功能都可以加上去，如內存管理、TCP/IP支持、遠程調用甚至文件系統。網(wǎng)上出現了基于μC/OS－Ⅱ的商業(yè)產(chǎn)品廣告。以μC/OS－Ⅱ為基礎，自己做一些功能軟件也不難，也有一些開(kāi)放的資源可以參考。以TCP/IP為例，英國人Jeremy Bentham的TCPIP Lean: Web Server for Embedded System 一書(shū)就教您如何將TC/PIP嵌入8位單片機。

讀書(shū)、學(xué)習、實(shí)踐，不但對于大專(zhuān)院校的學(xué)生，特別是對有經(jīng)驗的工程師，再學(xué)習，再實(shí)踐，學(xué)習RTOS，使用RTOS，我們全民族的微計算機嵌入式應用技術(shù)水平將會(huì )邁上一個(gè)新的臺階。