基于uCOSII的嵌入式数控系统实时性分析
uC-OS-II实时操作系统在嵌入式平台上进行移植的一般方法和技巧
uC/OS-II实时操作系统在嵌入式平台上进行移植的一般方法和技巧引言---实时操作系统的使用，能够简化嵌入式系统的应用开发，有效地确保稳定性和可靠性，便于维护和二次开发。
μC/OS-II是一个基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性，除此以外，μC/OS-II的鲜明特点就是源码公开，便于移植和维护。
在μC/OS-II官方的主页上可以查找到一个比较全面的移植范例列表。
但是，在实际的开发项目中，仍然没有针对项目所采用芯片或开发工具的合适版本。
那么，不妨自己根据需要进行移植。
本文则以在TMS320C6711DSP上的移植过程为例，分析了μC/OS-II在嵌入式开发平台上进行移植的一般方法和技巧。
μC/OS-II移植的基本步骤在选定了系统平台和开发工具之后，进行μC/OS-II的移植工作，一般需要遵循以下的几个步骤：●深入了解所采用的系统核心●分析所采用的C语言开发工具的特点●编写移植代码●进行移植的测试●针对项目的开发平台，封装服务函数（类似80x86版本的PC.C和PC.H）系统核心无论项目所采用的系统核心是MCU、DSP、MPU，进行μC/OS-II的移植时，所需要关注的细节都是相近的。
首先，是芯片的中断处理机制，如何开启、屏蔽中断，可否保存前一次中断状态等。
还有，芯片是否有软中断或是陷阱指令，又是如何触发的。
此外，还需关注系统对于存储器的使用机制，诸如内存的地址空间，堆栈的增长方向，有无批量压栈的指令等。
在本例中，使用的是TMS320C6711DSP。
这是TI公司6000系列中的一款浮点型号，由于其时钟频率非常高，且采用了超常指令字（VLIW）结构、类RISC指令集、多级流水等技术，所以运算性能相当强大，在通信设备、图像处理、医疗仪器等方面都有着广泛的应用。
在C6711中，中断有3种类型，即复位、不可屏蔽中断（NMI）和可屏蔽中断（INT4-INT15）。
可屏蔽中断由CSR寄存器控制全局使能，此外也可用IER寄存器分别置位使能。
嵌入式实时操作系统_uCOSII
uC/OS-II北京邮电大学计算机学院 邝 坚 2011年10月教材及参考文献《嵌入式实时操作系统 uC/OS-II(第2 版)》,Jean brosse, 邵贝贝, 北航出版 社, 2003年1月uC/OS-II的主要特点实时性可确定：绝大多数系统服务的执行时间具有可确定 性，不依赖于用户应用程序Task数目的多少。
多任务、独立栈：最多64个Task，基于优先级抢占调度方 式。
每个Task有自身独立的堆栈。
可裁减性：系统最小可裁减到几K到十几K，这种裁减还可 以做到基于函数级。
可移植性：与CPU体系结构相关部分用汇编编写，其他功 能组件CPU无关。
可靠、稳定性：由整个系统设计来保证，市场验证。
美国 联邦航空管理局（FAA）认证。
开源代码：内核约5500行C代码。
可固化：面向嵌入式应用。
系统功能实时内核 任务管理 时间管理 信号量、互斥信号量管理 事件标志组管理 消息邮箱管理 消息队列管理 内存管理 …Targets x86 68k PPC CPU32 i960 SPARC ARM MIPS XScale …Typical development configurationEthernetRS-232Development HostTargetTypical scenario:1. Boot target. 4. Download object module. 2. Attach target server. 5. Test & Debug. 3. Edit & compile. 6. Return to 3 or 1 as necessaryMulti-TaskingTask是代码运行的一个映像，从系统的角 度看，Task是竞争系统资源的最小运行单 元。
Task可以使用或者等待CPU、I/O设备 及内存空间等系统资源，并独立于其它的 Task，与它们一起并发运行。
Task OperationPriority-base preemptive scheduling（基 于优先级的抢占式调度）Task调度器上锁和开锁给调度器上锁函数OSSchedlock() 用于临 时禁止任务调度，直到任务完成后调用给 调度器开锁函数OSSchedUnlock()为止。
嵌入式实时操作系统μCOS-II 摘要
$0000 $0400 $0800
$2000
$4000
1KB 寄存器区 EEPROM RAM
8KB 未定义
1KB 寄存器
2KB EEPROM
8KB RAM
16KB 固定Flash
$3E $8000
8个16KB 页面Flash
16KB 分页Flash
关键词：实时操作系统；μC/OS-II；MC9S12DG128 单片机；移植
中图分类号：TP 368.2
文献标识码：A
Transplantation of Embedded real-time operating system μC/OS-II into S12 MCU (Department of Computer Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang
$38 $39 $3A $3B $3C $3D $3E $3F
$C000
$3F 16KB 固定Flash
$FF00
中断向量区
$FFFF
图 1 MC9S12DGl28 复位后的内存空间分布情况
可以通过设置 INITRG，INITRM，INITEE 寄存器来重新分配各存储器的位置。这些 寄存器只能写一次，建议在初始化时分配存储器的位置。如果映射出现地址重叠时， S12CPU 内部的优先级控制逻辑会自动屏蔽级别较低的资源，保留级别最高的资源。寄存 器具有最高优先级，与其重叠的 RAM 和 EEPROM 此时无效。存储器的优先级如下表所列。
μC/OS-II 的 95％代码是由 ANSI C 写成的，具有很好的移植性。要实现 μC/OS-II 向 S12 的移植，主要是做两方面的工作，一是重新定义内核的大小和功能；二是为内核 编写与硬件相关的代码。μC/OS-II 的文件结构如图 2 所示。
μCOS-II的实时性能分析
1 嵌入式实时操作系统和μC/OS-II嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)主要负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能[1]。
μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态优先级的占先式（preemptive）多任务实时内核。
采用μC/OS -II作为测试的目标，一方面是因为它已经通过了很多严格的测试，被确认是一个安全的、高效的实时操作系统；另一个重要的原因，是因为它免费提供了内核的源代码，通过修改相关的源代码，就可以比较容易地构造自己所需要的测试环境，实现自己需要的功能。
2 实时操作系统和系统实时性能指标实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。
实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。
软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。
通常，大多数实时系统是两者的结合。
事实上，没有一个绝对的数字可以说明什么是硬实时，什么是软实时。
它们之间的界限是十分模糊的。
这与选择什么样的CPU，它的主频、内存等参数有一定的关系[1]。
另外，因为应用的场合对系统实时性能要求的不同而有不同的定义。
因此，在现有的固定的软、硬件平台上，如何测试并找出决定系统实时性能的关键参数，并给出优化的措施和试验数据，就成为一个具有普遍意义并且值得深入探讨的课题。
本文就是基于此目的进行讨论的。
因为采用实时操作系统的意义就在于能够及时处理各种突发的事件，即处理各种中断，因而衡量嵌入式实时操作系统的最主要、最具有代表性的性能指标参数无疑应该是中断响应时间了。
中断响应时间通常被定义为：中断响应时间=中断延迟时间+保存CPU状态的时间+该内核的ISR进入函数的执行时间[2]。
ucosII嵌入式实时操作系统实验
嵌入式实时操作系统实验报告多任务的创建及运行系别计算机与电子系专业班级电子0901班学生姓名高傲指导教师黄向宇提交日期 2012 年 4 月 1 日一、实验目的1.熟悉并掌握基于uC/OS-II的开发工具、工程管理工具2.了解uC/OS-II的文件结构、文件之间的依赖关系。
3.掌握创建多任务的方法及对任务进行相关操作的技巧。
二、实验内容1.建立并熟悉Borland C 编译及调试环境2.使用课本配套光盘中的例程运行并修改，观察多任务的运行状态，尝试对其中的任务进行挂起并恢复、删除及查询等操作，观察运行结果.3.完成课后练习题，P92页13-17题，至少完成其中任意两题。
三、实验原理1.编译环境Turbo C是Borland公司开发的DOS下16位C语言集成开发工具。
有2.0和3.0版本，2.0只支持C语言编译不支持鼠标操作，而3.0版本可以支持C/C++两种语言编译，而且还支持鼠标和//注释方式；TC2.0是80年代开发的，使用了很多年一直到现在WINDOWS系统才逐渐退出舞台。
Turbo C2.0不仅是一个快捷、高效的编译程序，同时还有一个易学、易用的集成开发环境。
使用Turbo C2.0无需独立地编辑、编译和连接程序，就能建立并运行C语言程序。
因为这些功能都组合在Turbo 2.0的集成开发环境内，并且可以通过一个简单的主屏幕使用这些功能。
一个工程中的源文件不计其数，其按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，makefile定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作，因为 makefile 就像一个Shell脚本一样，其中也可以执行操作系统的命令。
makefile带来的好处就是——“自动化编译”，一旦写好，只需要一个make 命令，整个工程完全自动编译，极大的提高了软件开发的效率。
make是一个命令工具，是一个解释makefile中指令的命令工具，一般来说，大多数的IDE都有这个命令，比如：Delphi的make，Visual C++的nmake，Linux 下GNU的make。
嵌入式实时操作系统(μCOS-II)原理与应用-目录与正文-最新版第二部分
③链接器选项设置。
在Debug Settings 对话框中选择ARM Linker 列表项，将出现如图1-15所示的ARM Linker选项组对话框。
其中Output 选项卡用于控制链接器进行链接操作的类型。
选择Simple链接类型时，在Output 选项卡的Simple image 文本框中设置链接的Read-Only （只读）和Read-Write（读写）地址，如图2-5所示，链接器将依照所设定的地址映像方式，生成简单的ELF格式的映像文件。
地址0x30008000是开发板上SDRAM 的真实地址，是由系统的硬件决定的。
0x30200000 指的是系统可读写的内存地址。
也就是说，在0x30008000∼0x30200000 之间是只读区域，存放程序的代码段，从0x30200000 开始是程序的数据段，可读可写。
图1-15 设置链接地址范围以上只是一种简单设置，如果程序需要用到标准C 库函数时，可使用scatter 文件来设置链接地址；在标准C 中使用malloc 及其相关的函数，需要使用系统的堆（Heap）空间时，也可以通过scatter 文件来描述系统HEAP 段的位置。
这时，需要按图1-16进行链接地址的设置。
图1-16 通过scatter 文件设置链接地址如图1-16，在Output 选项卡中，选择LinkType 为Scattered，输入scatter文件名为scat_ram.scf；然后切换到Options 选项卡在Image Entry Point 框中输入0x30008000，把程序的入口定位在0x30008000。
（也可以在图1-16 的Command Line 框中直接输入-entry 0x30008000 -scatter scat_ram.scf 进行上述设置。
）针对2410-S 开发板，scat_ram.scf 文件内容如下：LOAD 0x30008000 ;load region{RAM_EXEC +0 ;PC{startup.o (init, +FIRST)* (+RO)}L0PAGETABLE 0x30200000 UNINIT ;about 2MByte offset SDRAM{pagetable.o (+ZI)}STACKS +0x100000 UNINIT ;64KByte under L0 pagetable{stack.o (+ZI)}RAM +0{* (+RW,+ZI)}HEAP +0 UNINITheap.o (+ZI)}EXCEPTION_EXEC 0 OVERLAY ;exception region{exception.o (+RO)}}该文件创建了一个RAM_LOAD程序区域，起始地址为0x30008000和6个数据区域(ROM_EXEC, RAM_EXEC, RAM, HEAP, STACKS, EXCEPTION_EXEC)。
uCOS-II嵌入式实时操作系统原理与移植
1，决定是否进行上下文切换 2，保存当前执行进程的上下文
包括程序计数器PC、通用寄存器、 与任务有关的数组、表格、链等。
uC/OS-II采用可
剥夺实时内核，
含义是最高优先
0
级任务一旦就绪，
总能得到CPU使
1
用权。
系统保留4个
2
最高优先级
3
4
5
执行该任务
6
7
……
uC/OS-II 的中断(ISR)
任务2—TCB--就绪—任务堆栈
任务3--TCB--等待—任务堆栈
任务4--TCB --睡眠—任务堆栈
uC/OS-II的任务之间通信
任务之间共享的信息成为事件，同一时刻只能有一个任务使 用共享信息，因此为每个事件构建一个事件控制块ECB来保 证任务之间安全共享信息。事件控制块总数由OS_CFG.H中的 OS_MAX_EVENTS定义。事件包括信号量、邮箱、消息队列。
内存组配置文件 储存器映射MMU初始化与操作 Nand flash控制器初始化与操作
与CPU相关的配置选项 开机画面BMP文件 开机画面BMP文件 开机画面BMP文件 初始化mini2440目标板 定义任务优先级、堆栈大小及函数原型声明 初始化操作系统定时器0 开机画面BMP文件
关于信号量和等待的API功能函数
//任务循环
{
OSPrintf("\nEnter Main Task\n");
OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC); //将任务延迟一段时间，进入等待态
}
}
uC/OS-II的任务都运行在无限循环中。
欢迎访问机电技术博客：/spurtltl@126/
嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ的研究
嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的研究
近年来,随着计算机和通信技术的快速发展,嵌入式系统技术以其简洁、高效等优点成为了最热门的技术之一。
目前,航天航空、交通、工业控制、通信等各个领域已经广泛的应用了嵌入式系统技术。
在嵌入式系统中,嵌入式操作系统的实时性越来越来重要。
嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ具有小巧、性能稳定、开源、移植简单、硬实时性等优点而得到广泛的应用。
虽然μC/OS-Ⅱ有如此多的优点,但是实时性方面还存在不足之处。
本文深入分析了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的内核,重点研究了任务延时与软件定时器功能。
针对μC/OS-Ⅱ操作系统中任务延时的缺陷,参考C8051F系列单片机的片内PCAO (Programmable Counter Array 0),研究了一种基于硬件的、以提高系统的运行速度与实时性的延时机制。
经测试,得出此方法可以提高系统的实时性、减小系统的额外开销。
本文还对软件定时器中多个定时器同时完成定时的情况进行分析,根据存在的问题为定时器赋予不同的优先级,使用独立的任务执行回调函数,使定时器的回调函数按优先级先后顺序执行,以提高系统的实时性。
在以第二代Cortex-M3为内核的路虎LPC1786开发板上进行测试,通过比较原操作系统与改进后系统的运行情况,得出改进后的系统提高了系统的实时性。
基于uCOS-Ⅱ的嵌入式数控系统实时性分析
ｒｓ ｌ ｉｄｃ ｔｓ ｔａ ｈｓ ｅ ｅ ｄ ｄ ｎ ｍｅ ｉａ ｏ ｔｏｌｓ ｓｅ ｈ ｓｐ ｒｅ ｔ ｅ ｌｉ ｈ ｒｃｅ ，ｌｗ ｏｓ ａ ｄ ｉｈｐ ｒｏｒ ｎ ｅ ｔｈ ｓ ｅ ｔｎ ｉｅ ｅ ｕｔ ｎ ｉａｅ ｈ ｔｔｉ ｍｂ ｄ ｅ ｕ ｒｃ ｌｃ ｎｒ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｆｃ ｒａ－ ｍｅ ｃ ａａ ｔｒ ｏ ｃ ｔ ｎ ｈｇ －ｅ ｆ ｍａ ｃ ，Ｉ ａ ｘｅ ｓｖ ｔ ａ ｐ ｉａｉｎ ｐ ｌｃ ｔ ． ｏ
维普资讯
第 ３ 卷 第 ２ 期 ２ ２
、 ｔ ２ ， ０ ３
Ｎｏ． ２ ２
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算
机
工
程
２０ 年 １ 月 ０６ １
Ｎｏ ｅ ｂ ｒ２ ０ ｖ ｍ ｅ ０ ６
Ｃｏ ｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｍ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
・ 工程 应用 技术 与 实现 ・
ｏ ＣＯＳ Ｉ ｉ ｅ ｃ ｉ ｅ ．Ａｎ ｅ ｔ ｅ ｏ ｙ ｔ ｍ ｃ ｅ ｕ ｅ ｉ ａ ｕ ｅ ． ｅ ｐ ｐ ｒ ａｓ ｎａｙ ｅ ｈ ｙ ｔ ｍ ｅ ｌ ｉ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｎ ｔｂ ｌ ｙ Ｔｈ ｆｕ －Ｉ ｓ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｄ ｔ ｉ ｆｓ ｓｅ ｓ ｈ ｄ ｌ ｓｍｅ ｓ ｒ ｄ Ｔｈ ａ ｅ ｌｏ ａ ｌ ｚ ｓｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｒ ａ － ｍｅ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ａ ｄ ｓ ａ ｉｉ ． ｅ ｈ ｍ ｔ ｔ
构建 的嵌 入式数控 系统 的实时． 好 ，且 具有低 成本、高性 能的特点 ，具有广泛 的应 用前景。 『 生
关健词 ：实时操 作系统 ； Ｃ ＳＩ Ｒ ｕ Ｏ － ；Ａ Ｍ Ｉ
Ｒｅ ｌｔｍ ｅＡｎ ｌ ｓｓｏ ｂ ｄ ｅ ａ －ｉ ａｙ ｉ ｆＥｍ ｅ ｄ ｄ ＣＮＣ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｓｅ 实时操作系统构建嵌入式工业控制 系 统 平台 已经成为一种 发展趋势 。ｕ Ｏ － Ｃ Ｓｌ Ｉ是专 门为嵌 入式系 统 设计 的硬 实Ｉ Ｈ ｒ ｅ ｌ ｉ ） ￣（ ａｄＲ ａ Ｔｍｅ多任 务内核。 的内核精简 ， 它 多任 务管理功能相对完善 ，实时性 能好 ，可裁剪 ，可 固化 ，
嵌入式实时操作系统ucosII实验2
嵌入式实时操作系统实验报告任务间通信机制的建立系别计算机与电子系专业班级电子0901班学生姓名高傲指导教师黄向宇提交日期 2012 年 4 月 1 日一、实验目的二掌握在基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II的应用中，任务使用信号量的一般原理。
掌握在基于优先级的可抢占嵌入式实时操作系统的应用中，出现优先级反转现象的原理及解决优先级反转的策略——优先级继承的原理。
二、实验内容1.建立并熟悉Borland C 编译及调试环境。
2.使用课本配套光盘中第五章的例程运行（例5-4,例5-5，例5-6），观察运行结果，掌握信号量的基本原理及使用方法，理解出现优先级反转现象的根本原因并提出解决方案。
3.试编写一个应用程序，采用计数器型信号量（初值为2），有3个用户任务需要此信号量，它们轮流使用此信号量，在同一时刻只有两个任务能使用信号量，当其中一个任务获得信号量时向屏幕打印“TASK N get the signal”。
观察程序运行结果并记录。
4. 试编写一个应用程序实现例5-7的内容，即用优先级继承的方法解决优先级反转的问题，观察程序运行结果并记录。
5.在例5-8基础上修改程序增加一个任务HerTask,它和YouTask一样从邮箱Str_Box里取消息并打印出来，打印信息中增加任务标识，即由哪个任务打印的；MyTask发送消息改为当Times为5的倍数时才发送，HerTask接收消息采用无等待方式，如果邮箱为空，则输出“The mailbox is empty”, 观察程序运行结果并记录。
三、实验原理1. 信号量µC/OS-II中的信号量由两部分组成：一个是信号量的计数值，它是一个16位的无符号整数（0 到65,535之间）；另一个是由等待该信号量的任务组成的等待任务表。
用户要在OS_CFG.H中将OS_SEM_EN开关量常数置成1，这样µC/OS-II 才能支持信号量。
在使用一个信号量之前，首先要建立该信号量，也即调用OSSemCreate()函数（见下一节），对信号量的初始计数值赋值。
嵌入式实时操作系统ucosii
医疗电子
ucosii在医疗电子领域 中应用于医疗设备、监
护仪、分析仪等。
物联网
ucosii在物联网领域中 应用于传感器节点、网
关、路由器等设备。
02
ucosii的体系结构与内核
任务管理
任务创建
ucosii提供了创建新任务的函数，如 OSTaskCreate()，用于创建新任务。
任务删除
ucosii提供了删除任务的函数，如 OSTaskDelete()，用于删除不再需要的任 务。
时间管理
01
02
03
时间节拍
ucosii通过定时器产生固 定时间间隔的节拍信号， 用于任务调度和时间管理 。
超时处理
ucosii支持超时机制，当 某个任务等待时间超过预 定阈值时触发相应的处理 函数。
时间函数
ucosii提供了一系列时间 函数，如OSTimeDly()、 OSTimeTick()等，用于时 间相关的操作和控制。
智能家居
ucosii适用于智能家居领域，可应用于 智能家电控制、家庭安全监控等场景。
02
03
医疗电子
ucosii适用于医疗电子领域，如医疗设 备控制、病人监控等，其可靠性和实 时性为医疗系统提供了有力保障。
THANKS。
应用软件的开发
任务管理
在UCOSII中，任务是用来实现应用程序功能的。在进行应用软件的开发时，需要创建和管理任务。这包括任务的创 建、删除、挂起和恢复等操作。
任务间通信
为了实现任务间的协同工作，需要进行任务间通信。UCOSII提供了信号量、消息队列、互斥量等机制来实现任务间 通信。在进行应用软件的开发时，需要利用这些机制来实现任务间的同步和数据交换。
uCOS-II实时性能测试与研究
实时性是指系统能够在限定的时间内完成任务并对外部的异步事件作出及时响应。
在大多数工业控制中，对实时性的要求非常高。
实时操作系统是能够满足实时系统中实时任务的处理响应时间要求的操作系统。
实时操作系统是事件驱动(event-driven)的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。
它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体，起着核心作用;由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。
在多任务实时系统中，必然由实时操作系统来对实时任务进行管理。
μC/OS-II是一种结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。
其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。
现在许多工业控制系统用到了μC/OS-II，为了对其实时性有更深入具体的了解，本文对μC/OS-II的实时性进行了测试和分析，在实时系统设计中具有现实意义。
1 μC/OS-II实时性能测试指标衡量嵌入式实时操作系统的好坏一般主要参考以下主要性能指标参数：任务切换时间、中断响应时间、任务响应时间、任务创建/删除时间、交替信号量时间、取得/释放信号量时间、交替消息队列传输时间等。
本文仅对前2个最重要的指标参数进行测试分析。
1.1 任务切换时间任务切换时间(Task Content Switch Time)可以反映出RTOS执行任务的速度。
μC/OS-II使用的是占先式内核，以保证系统的响应时间。
每个任务都被赋予一定的优先级，最高优先级的任务一旦就绪，就能得到CPU的控制权。
当一个运行着的任务通过信号量等机制使一个更高优先级的任务进入了就绪态，μC/OS-II会进行任务调度。
这时当前任务的CPU使用权就要被剥夺，那个高优先级的任务会立刻得到CPU的控制权。
每个任务都有自己的一套CPU寄存器和栈空间。
任务的切换实际上就是CPU寄存器内容的切换。
CPU内部寄存器越多，额外负荷就越重。
ucos-II在嵌入式领域有哪些应用分析
（1）在单片机系统中嵌入uCOSII将增强系统的可靠性，并使得调试程序变得简单。以往传统的单片机开发工作中经常遇到程序跑飞或是陷入死循环。可以用看门狗解决程序跑飞问题，而对于后一种情况，尤其是其中牵扯到复杂数学计算的话，只有设置断点，耗费大量时间来慢慢分析。如果在系统中嵌入uCOSII的话，事情就简单多了。可以把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立，然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出CPU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。这样既提高了系统的可靠性，同时也使得调试程序变得容易。
uCOS-II和大家所熟知的Linux等分时操作系统不同，它不支持时间片轮转法。uCOS-II是一个基于优先级的实时操作系统，每个任务的优先级必须不同，分析它的源码会发现，uCOS-II把任务的优先级当做任务的标识来使用，如果优先级相同，任务将无法区分。进入就绪态的优先级最高的任务首先得到CPU的使用权，只有等它交出CPU的使用权后，其他任务才可以被执行。所以它只能说是多任务，不能说是多进程，至少不是我们所熟悉的那种多进程。显而易见，如果只考虑实时性，它当然比分时系统好，它可以保证重要任务总是优先占有CPU。但是在系统中，重要任务毕竟是有限的，这就使得划分其他任务的优先权变成了一个让人费神的问题。另外，有些任务交替执行反而对用户更有利。例如，用单片机控制两小块显示屏时，无论是编程者还是使用者肯定希望它们同时工作，而不是显示完一块显示屏的信息以后再显示另一块显示屏的信息。这时候，要是uCOS-II即支持优先级法又支持时间片轮转法就更合适了。
本文阐述了UCOS—II在嵌入式领域的应用，分别对嵌入式和μC/OS-II的概念进行介绍了，最后以几个实际的列子来说明μC/OS-II在嵌入式中的应用。
μCOS-II嵌入式操作系统实时性能分析与测量
μC/OS-II嵌入式操作系统实时性能分析与测量作者：何俊芬陈慈发刘威来源：《电脑知识与技术》2010年第08期摘要:以评价实时操作系统性能为目标,对时间参数的测量原理和方法进行了研究,以μC/OS-II实时嵌入式操作系统为研究对象,分析其内核的实时机制及任务上下文切换时间、中断响应时间等实时性指标,给出了测量方法,并采用两种方法来获取时间参数,获得了一批嵌入式实时操作系统的数据,为实时性设计提供了参考。
关键词:嵌入式操作系统;实时性;上下文切换时间;中断响应时间中图分类号:TP316文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)08-1810-03Real-time Performance Analysis and Measurement of μC/OS-II Embedded SystemHE Jun-fen, CHEN Ci-fa, LIU Wei(College of Computer and Information, Three Gorges University, Yichang 443002, China)Abstract: For evaluate the real-time operating system performance, this article researched the measurement principle and the method of time parameters. Then, used the μC/OS-II real-time embedded operating system as the research object, analyzed its real-time kernel, and task context switch time, interrupt response time, and given the method to measure real-time performance, used two methods to obtain the time parameters. The obtained results for real-time design provides a reference.Key words: embedded operation system; real-time performance; context switching time; interrupt response time嵌入式系统是面向应用的专业计算机系统,已经广泛应用于军事国防、工业控制、消费电子、医疗仪器、汽车电子等各种技术领域,且随着微处理器性能的提高,嵌入式软件规模也发生指数型增长,嵌入式应用也朝着高度复杂和智能化的功能发展。
uCOS-II嵌入式操作系统介绍与移植
OSStartHighRd
1、该函数是在OSStart函数中调用 2、负责从最高优先级任务的TCB中获得该任务的堆
栈指针sp，并依次将cpu现场恢复，这时系统就将 控制权交给用户创建的该任务进程，直到该任务被 阻塞或者被其他更高优先级的任务抢占cpu 3、该函数仅在多任务启动时被执行一次，用来启 动之前创建的第一个，也就是最高优先级的任务执 行
3、可从网站上获 得全部源码及其在各种体系结构平 台上的移植范例。
uC/OS-II特点
1、uC/OS-II内核具有可抢占的实时 多任务调度功能
2、提供了许多系统服务，如信号量、 消息队列、邮箱、内存管理、时间 函数等
3、这些功能可以根据不同的需求进 行裁减。
uC/OS-II的移植
ARM处理器相关宏定义
1、退出临界区
#defineOS_ENTER_CRITICAL() ARMDisableInt()
2、进入临界区
#defineOS_EXIT_CRITICAL() ARMEnableInt()
堆栈增长方向
1、堆栈由高地址向低地址增长，这个也 是和编译器有关的，当进行函数调用时， 入口参数和返回地址一般都会保存在当 前任务的堆栈中，编译器的编译选项和 由此生成的堆栈指令就会决定堆栈的增 长方向。
#define OS_STK_GROWTH 1
OS_CPU.c的移植
1、任务堆栈初始化 2、系统hook函数 3、中断级任务切换函数
任务堆栈初始化OSTaskStkInit
1、由OSTaskCreate或OSTaskCreateExt调用 2、用来初始化任务的堆栈并返回新的堆栈指针stk。
退出/进入临界区函数 ARMDisableInt/ARMEnableInt
嵌入式实时操作系统ucosII
嵌入式实时操作系统ucosIIucosII是一款源代码公开、可免费使用的嵌入式实时操作系统。
它是由德国嵌入式系统专家brosse于1992年编写完成的，主要适用于嵌入式系统的开发。
ucosII具有源代码短小精悍、可移植性好、稳定性高等优点，被广泛应用于各种嵌入式系统中。
源代码短小精悍：ucosII的源代码只有几百KB，相对于其他RTOS来说，其代码量较小，易于理解和修改。
可移植性好：ucosII采用了可移植性的设计方法，可以在不同的处理器和编译器上进行移植和优化。
稳定性高：ucosII在各种嵌入式系统中得到了广泛应用，其稳定性和可靠性得到了充分的验证。
支持多任务：ucosII支持多任务处理，可以同时运行多个任务，提高系统的效率和响应速度。
实时性：ucosII具有较高的实时性，可以满足各种实时性要求高的应用场景。
可扩展性：ucosII具有较好的可扩展性，可以根据需要进行功能扩展和优化。
系统内核：包括任务调度、任务管理、时间管理、内存管理等核心功能。
中断处理程序：处理各种中断请求，包括硬件中断、软件中断等。
系统API：提供了一套完善的API函数，方便应用程序的开发和调试。
调试和测试工具：包括各种调试和测试工具，如内存检查工具、性能分析工具等。
ucosII被广泛应用于各种嵌入式系统中，如工业控制、智能家居、智能交通、航空航天等。
其应用场景涵盖了消费类电子产品、医疗设备、通信设备、汽车电子等领域。
ucosII作为一款源代码公开、可免费使用的嵌入式实时操作系统，具有短小精悍、可移植性好、稳定性高等优点。
它广泛应用于各种嵌入式系统中，为应用程序的开发提供了便利和支持。
其可扩展性和实时性也使得它在各种领域中具有广泛的应用前景。
随着嵌入式系统的广泛应用，对嵌入式操作系统的需求也日益增长。
uCOSII是一种流行的实时嵌入式操作系统，具有轻量级、实时性、可扩展性等优点。
本文将介绍如何在AT91平台上实现uCOSII的移植。
基于μC_OS-Ⅱ的嵌入式系统研究与应用
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万方数据
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研究与开发
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现 代 计 算 机 ! 总 第 二 五 三 期 "
#修改 !"#$%&#)’*"+ %&6#7891&3 的移植 ! 在 %&6#7891&3 中用汇编
语言编写 T 个与处理器相关的函数’%&&K+BK:?0A2<UX Y"
123 中的堆栈数据类型为 LM 位 !可以定义为 ’
KUV=<=> ./-?0/=< ?/K %&6&4WG
支持轮转法任务调度 ! 是一个完全占先式的 实时内 核 " !2;%&<== 可以管理 JL 个任务 ! 目前版本保留 I 个给系统 !应用程序最多可以有 NJ 个任务 ! 并且赋予 每个任务的优先级是不同的 " 其它还有如 % 可确定性 & 系统服务 & 中断管理 & 稳 定性与可靠性等 ! 这些特性都赋予 !2;%&O== 极大的 吸引力 !可以适用在安全条件极为苛刻的系统 " 此外 !
chap 04 ucOS-II嵌入式实时操作系统内核分析 - 简
程），μC/OS-II就是一个能对这些小任务的运行进行管理和调度的
多任务操作系统。
在多任务系统中，任务是设计者实现应用系统的基本形式，
也是μC/OS-II系统进行调度的基本单元。
4.2.2 μc/OS-II的任务管理
void YourTask(void pdata)
{
for ( ; ; ) { /*用户代码*/
系统为任务配备 了任务控制块且 在任务就绪表中 进行了就绪登记， 这时任务的状态 叫做就绪状态。
处于就绪状态的 任务如果经调度 器判断获得了 CPU的使用权， 则任务就进入运 行状态
4.2.2 μc/OS-II的任务管理
3．任务管理 μC/OS-II可以管理最多64个任务。任务管理包括创建任务、
删除任务、改变任务的优先级及挂起和恢复任务等。 （1）建立任务
1．任务切换
（1）任务级的任务切换 OS_TASK_SW() ① 保存当前运行的任务的CPU寄存器值到该任务的堆栈。 ② 将要运行的高优先级的任务的寄存器值从堆栈恢复到CPU 寄存器。 ③ 进行TCB的切换，并运行任务。
（2）中断级的任务切换 OSIntCtxSw()
2．就绪表
每个就绪的任务都放在就绪表中 就绪表有两个变量：OSRdyGrp和OSRdyTbl[] OSRdyGrp中，将任务按优先级分组，八个为一组。 OSRdyGrp的每一位代表每组任务是否有进入就绪态的任务。 优先级判定表OSUnMapTbl[]，OSUnMapTbl[]是常量表 。
void {
}
void OSTimeTick (void) { …… OSTimeTickHook( ); …… OSTime++; //记录节拍数 OSTickISR(void) …… if (OSRunning = = TRUE) { ptcb = OSTCBList; 保存CPU寄存器； != OS_IDLE_PRIO) while (ptcb->OSTCBPrio { 调用OSIntEnter( ); ); //记录中断嵌套层数 OS_ENTER_CRITICAL( if (ptcb->OSTCBDly != 0) if (OSIntNesting = = 1; { { if (--ptcb->OSTCBDly = = 0) //任务的延时时间减一 { OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP; //保存堆栈指针 if ((ptcb->OSTCBStat & OS_STAT_SUSPEND) = = OS_STAT_RDY) } { OSRdyGrp |= ); 调用OSTimeTick(ptcb->OSTCBBitY; //节拍处理 OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] 清除中断； |= ptcb->OSTCBBitX; } else 开中断； { ptcb->OSTCBDly = 1; } 调用OSIntExit( ); //中断嵌套层数减一 } } 恢复CPU寄存器； ptcb = ptcb->OSTCBNext; 中断返回； OS_EXIT_CRITICAL( ); } }
嵌入式实时操作系统uCOSⅡ分析
中间层
BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包
D/A
A/D 硬件层
I/O
嵌入式 微处理器
通用接口 ROM
SDRAM
人机交互接口
嵌入式计算机系统 3
硬件抽象层的引入
嵌入式实时系统自底向上包含三个部分
硬件环境 嵌入式实时操作系统——RTOS 嵌入式实时应用程序
由于嵌入式系统应用的硬件环境差异较大 新增加的中间层位于操作系统和硬件之间，
HAL简介
硬件抽象层பைடு நூலகம்HAL）是体系结构相关的底层程序 处理系统启动、硬件初始化以及中断与异常 硬件抽象层对内核其它部分提供统一的调用接口 HAL可以提供BSP规范，提供跨平台可移植性
6
硬件抽象层接口定义和代码设计特点
硬件抽象层具有与硬件密切相关性 硬件抽象层具有与操作系统无关性 接口定义的功能应包含硬件或系统所需硬件支
25
C/OS-II开关中断的方法（续2）
{ .. OS_ENTER_CRITICAL( ); /* C/OS-II临界段代码*/ OS_EXIT_CRITICAL( ); ..
}
如果在所有挂起类（PEND）调用之前，如：调用OSTimeDel（） (挂起时间）功能函数之前关中断，会出现什么现象？
以及基于网络元素NE的甚高端通讯设备 基于智能手机的硬件抽象层，能够支持以Intel PCA体系结构为内核的
智能手机、以Intel EIA体系结构为内核的智能手机，以及以Motorola 的88000系列为内核的PDA 基于IC卡的汇编级硬件抽象层，能够支持数字电视条件接收CA的 8/16/32位CPU IC设计和机器码级汇编抽象层
15
C/OS的性能特点（一）
嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进
嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高，占用空间小，可移植性强，实时性能优良和可扩展性强等特点。
数控系统是一个典型的强实时性系统，具有可确定性。
可确定性主要是确保条件出现到由此引起的动作开始(或者结束)的时间在一个准确的时段内。
在数控系统中，条件是由操作员的指令(如：紧急停止、移动x 轴等)或是机床的状态(如刀具破损等)引起的。
本文分析了数控系统任务的特点，结合μC／OS-Ⅱ的内核体系，对μC／OS-Ⅱ的任务分类、任务调度和中断服务策略做了改进，使其更加适合于数控系统的应用。
1 μC／OS-Ⅱ对任务的分类μC／OS-Ⅱ中每个任务有5 种状态：休眠(DORMANT)、就绪(READY)、运行(RUNNING)、等待(WAITING)、中断(ISR)。
休眠状态的任务驻留在存储器中，还未被内核使用；就绪状态的任务准备执行，优先级低于当前执行的任务，没有得到CPU 控制权；任务得到CPU 控制权后就处于运行状态；等待事件发生的任务处于等待状态，事件可以是I／O 操作完成、共享资源可以利用、时钟周期到等；任务执行过程被中断服务例程中断，任务就处于中断状态。
2 μC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进2．1 数控系统任务的特点在数控系统中，任务可分为两种：周期运行的任务和信号触发运行的任务，这里所说的信号即包括硬件信号，也包括软件信号。
周期运行的任务有定时信号采样、定时I／O 口扫描、定时通信等。
信号触发运行的任务有中断信号(硬件信号)触发的中断服务任务，命令消息信号(软件信号)触发的命令解释任务等。
另外，数控系统中，有些任务还具有运行时间短，运行频率高，要求实时性高的特点，如信号采样、数控机床中的插补控制等。
2．2 改进后的任务划分在改进后的嵌。
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(1)对任务操作的时候 包括 创建或者删除任务 挂起 或者恢复任务 改变任务优先级
(2)任务主动使用 OSTimeDly 函数延时的时候
uCOS-II的任务
(3)发送(或者等待)信号量 邮箱 消息的时候 (4)中断函数返回的时候 中断往往会使一个更高优先级
ARM 定时器
外部中断
外部IO 和总线
任务处于就绪状态 包括使用信号量等或者直接恢复某个任 务 所以 在系统退出中断的时候 就需要判断是否有更高
图 1 嵌入式数控系统 作者简介 刘 淼(1980 ) 男 博士生 主研方向 嵌入式机电控 制技术 王田苗 教授 博导 魏洪兴 陈友东 博士 收稿日期 2005-12-27 E-mail threioaterl@
万方数据
该系统的操作系统使用 uCOS-II 把数控系统分为 (1)
(4)信号灯(Semaphore)交替延迟时间 指从一个任务释放
随着微电子技术的发展 嵌入式微处理器的运行速度越 来越快 对实时操作系统提供了全面的运行支持 采用高性
222
能的嵌入式微处理器和实时操作系统构建嵌入式工业控制系 统平台已经成为一种发展趋势 uCOS-II 是专门为嵌入式系 统设计的硬实时(Hard Real Time)多任务内核 它的内核精 简 多任务管理功能相对完善 实时性能好 可裁剪 可固 化 源码开放 可移植性强 uCOS-II 应用广泛 适应性强 从 8 位到 64 位处理器都可以移植 uCOS-II 已经成功地移植 到大多数微处理器和微控制器上 新版本的 uCOS-II 通过了 FAA(Federal Aviation Administration)认证 很适合应用于对 实时性有很高要求的嵌入式工业控制领域
较低优 先级任务
Tc Ts
中断响应 与分派
任务 切换
Td 查找就绪 任务
执行中
断处理
Tr
Tw
统可调度 按照 Rhealstone 方法[4] 定义了以下 6 项指标来衡
量实时系统的性能 (1)任务切换(Task Switch)时间 即系统在两个独立
的 处在激活态并具有相同优先级的任务之间切换所需 要的平均时间 切换时间取决于在存入和恢复上下文时
键盘
FPGA
优先级的任务处于就绪状态 如果有 则需要进行任务调度 (5)给系统的任务调度器解锁的时候
码 盘
动 器
机 及 驱
伺 服 电
动 器
机 及 驱
伺 服 电
动 器
机 及 驱
伺 服 电
IO 接口
反
馈
在大多数情况下 uCOS-II 中断级的任务调度是按照如 图 3 所示的流程进行的 其中 Tr 为系统的中断等待时间 Tp 为系统的抢占时间 Ts 为系统的中断响应与查找的时间 主要包括中断入口程序的执行 注册在系统中的中断向量的
时间 而 Tc 则可以认为满足 0 Tc 断时间
中断 任务 产生 停止
Tp
系统的最长关中
较高优 先级任务
时间的确定性 在系统硬件平台确定的情况下 系统的实时 性完全取决于多任务调度算法
与非实时系统相比 实时系统最大的特点在于 系统执 行的正确性不仅仅在于计算的逻辑或者算术结果的正确性 还取决于系统产生结果的时间 如果一个实时系统的所有任 务的执行时间都可以在一个规定的时间内完成 则认为此系
刘 淼 王田苗 魏洪兴 陈友东 (北京航空航天大学机器人研究所 北京 100083)
摘 要 提出了一种嵌入式数控系统的软硬件体系结构 该系统采用实时操作系统 uCOS-II 和 ARM 嵌入式微处理器构建 结合实时多任 务操作系统的性能指标 分析了嵌入式实时操作系统 uCOS-II 的时间特性 并给出了 uCOS-II 中最长时间特性的计算方法 同时 在数控 系统的平台上 测试了系统任务调度各个阶段所用时间 并对此系统的实时性和稳定性进行了分析 结果表明 基于 uCOS-II 和 ARM 所 构建的嵌入式数控系统的实时性好 且具有低成本 高性能的特点 具有广泛的应用前景 关键词 实时操作系统 uCOS-II ARM
Key words Real time operation system(RTOS); uCOS-II; Advanced RISC machine(ARM)
1 概述
嵌入式系统是面向应用的专用计算机系统 目前已经广 泛应用在军事国防 网络通信 工业控制等各种技术领域 和应用于桌面 PC 的操作系统相比 嵌入式系统对实时性的 要 求 逐 渐 提 高 根 据 GMPTG(General Motors Powertrain Group)近 10 年的调查研究 超过 95%的应用对系统的实时性 有着极高的要求[1]
2 uCOS-II 构建的高精度加工数控系统
在高精度加工的数控系统中 系统的伺服周期非常短 (0.5ms) 通过实时扩展的 Windows 或者 Linux 平台上的数控 系统很难满足要求 如图 1 所示 本文提出了基于 ARM 和 uCOS-II 的嵌入式数控系统平台 该系统的硬件平台由 ARM 和 FPGA 组成 硬件资源包括 S3c44B0x 处理器 32MB SDRAM 2MB Nor Flash 16MB Nand Flash
中断2 产生
中断1 产生
任务 停止
图 3 uCOS-II 的任务调度
Tr2 Tp
较高优 先级任务
处理数据结构的效率以及中央处理器(CPU)的结构和指 令集
(2)抢占(Preemption)时间 即系统将控制从低优先
较低优 先级任务 Tc
Ts1
任务 Ts2 切换
任务 切换
中断1响
Td1 查找就
应与分派
数控机床
查找等 Td 为执行中断处理所用的时间 Tw 为系统判断并
图 2 嵌入式数控系统软硬件体系
查找处于就绪状态下优先级最高的任务和中断级任务切换的
3 uCOS-II 的实时性分析
3.1 实时操作系统的性能指标 实时系统是指能够在确定的时间内执行计算或处理功
能 并对外部的异步事件做出响应的计算机系统 多任务实 时系统的性能主要体现在系统中每个任务的调度时间和执行
译码 (2)插补 (3)伺服 (4)逻辑控制 (5)显示等过程 其 信号灯到另一个等待信号灯的任务被激活的时间延迟
中 前 3 个过程 是数控加工过程中运行的周期性任务 实
(5)死锁解脱时间 指系统解开死锁所需的平均时间 死
时性必须得到严格的保证 操作系统在保证强实时任务的同 锁解脱时间反映了操作系统解决死锁算法的效率
数控系统是一个典型的强实时性系统 也就是说 该系 统具有可确定性 可确定性主要是确保条件出现到由此引起 的动作开始(或者结束)的时间在一个准确的时段内 在数控 系统中 条件是由操作员的指令(如 紧急停止 移动 x 轴等) 或是机床的状态(如刀具破损等)引起的 实际上 需要满足 时间约束的情况主要是和系统安全(如对突发事件的反应等) 以及切削精度有关 因此数控系统具有硬实时任务 硬实时 任务是指必须满足最后期限的限制 否则会给系统带来不希 望的破坏或者致命的错误[2]
第 32 卷 第 22 期 Vol.32 No.22
工程应用技术与实现
计算机工程 Computer Engineering
文章编号 1000 3428(2006)22 0222 03
文献标识码 A
2006 年 11 月 November 2006
中图分类号 TP316
基于 ｕＣＯＳ－ＩＩ 的嵌入式数控系统实时性分析
绪任务
中断2响
Td2 查找就
应与分派
绪任务
级的任务转移到高优先级的任务所花费的平均时间 (3)中断等待时间(Latency) 即从 CPU 收到中断请
执行中
断1处理
Tr1
Tw
执行中 断2处理
Tw
求到执行中断服务程序的第一条指令所用的时间
图 4 多重中断的 uCOS-II 的任务调度来自223万方数据
当有多个中断产生的时候 如果因为中断的优先级低或
时 还必须有剩下的时间片处理界面显示 用户操作等任务
(6)数据报(Data Gram)通过率是 当一个任务调用实时操
数控系统的软硬件结构框图如图 2 所示 译码 插补和 作系统的原语把数据传送到另一个任务时 每秒传送的字
伺服过程之间通过先入先出(FIFO)队列通信 因此 系统的 节数
加工精度主要取决于伺服过程的稳定性 在系统中 译码和 插补过程分别在 uCOS-II 的优先级较高的任务中执行 伺服