嵌入式实时操作系统内核分析

关于对μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统内核分析

一、μC/OS-Ⅱ概述

1、μC/OS-Ⅱ的基本概念

μC/OS是源码公开的实时嵌入式操作系统，具有源代码开放、内核小、实时性好的突出优点，能够被移植到各种微处理器和微控制器上。我们今天所分析的μC/OS-Ⅱ实时操作系统内核正是建立在μC/OS的基础之上的。μC/OS-Ⅱ是典型的微内核实时操作系统。它提供了任务调度、任务管理、时间管理和任务间的通信等基本功能。

与一般通用的操作系统相比，嵌入式实时操作系统既具有通用操作系统的基本特点，又具有系统实时性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等特点。嵌入式实时操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器Browser等。评价嵌入式操作系统的重要指标有实时性、可裁剪性、可扩展性。

2、μC/OS-Ⅱ的基本性能特点

公开源代码、可移植性好、可固化、可裁剪、抢占式实时内核、多任务管理、函数调用和系统服务的执行时间是确定的、每个任务有自己单独的栈、提供多系统服务和中断请求可使正执行任务暂时挂起等多个优点。

二、任务管理

1、任务的工作状态

任务是μC/OS-Ⅱ中最重要的概念之一。它也被称作为一个线程为一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全只属于该程序。每个任务都被赋予一定的优先级，有着自己的一套CPU寄存器和栈空间。

如下图：一个任务通常是一个无限的循环。

μC/OS-Ⅱ可以管理多达64个任务，但由于其两个任务被系统占用，并保留了优先级为0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRIO-2、OS_LOWEST_PRIO-1以及OS_LOWEST_PRIO这八个任务供将来使用。因此用户可以使用的有56个应用任务。每个任务都有不同的优先级，一般来说，任务的优先级号越低，任务的优先级越高。μC/OS-Ⅱ总是先运行进入就绪态的优先级最高的任务。下图

所示为任务所处的可能的5种状态。在任一时刻，任务的状态一定是这5种状态之一。如下图：

2、任务调度

任务调度是实时内核最重要的工作之一，μC/OS-Ⅱ是抢占式实时多任务内核，采用基于优先级的任务调度。μC/OS-Ⅱ的任务调度包括任务级的任务调度和中断级的任务调度，所采用的调度算法是相同的。任务级的调度是函数OSSched()完成的，中断级的任务调度

则由函数OSIntExt()完成。其中函数OSSched()的内容如下： Void OSSched （void）

{

INT8U y;

OS_ENTER_CRITICAL();

if ((OSLockNesting|OSIntNesting)==0)

{

y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

OSPrioHighRdy=(INT8U)((y<<3)+OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];

if(OSPrioHighRdy!=OSPrioCur)

{

OSTCBHighRdy=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

OSCtxSwCtr++;

OS_TASK_SW();

}

}

OS_EXET_CRITICAL();

}

从上面的程序中可以了解到为了避免在调度过程中被中断，在OSSched（）开始时，首先调用了OS_ENTER_CRITICAL()关中断，然后判断任务调度器是否上锁或调用是否来自中断服务子程序，如果不是，则开始任务调度。如下图所示：为一个任务就绪表。

下图便是一个相关例子，把prio 为29的任务设置在任务就绪状态：

OSRdyGrp D 7

D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 011

1

1

prio=29

D 7D 6D 5

D 4D 3D 2D 1

D 01D 7D 6D 5

D 4

D 3

D 2

D 1

D 0

1

OSRdyTbl[3 ]把prio 为29的任务置为就绪状态

Y X

OSRdyGrp | =OSMapTbl[prio>>3]; OSRdyTbl[prio>>3]

| = OSMapTbl[prio&0x07]; 任务就绪登记与注销

从任务就绪表中获取优先级别最高的就绪任务可用如下类似的代码：

y = OSUnMapTal[OSRdyGrp]; //D5、D4、D3位

x = OSUnMapTal[OSRdyTbl[y]]; //D2、D1、D0位

prio = (y<<3)+x; //优先级别

或

y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

prio = (INT8U)((y << 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);

3、μC/OS-Ⅱ的初始化

μC/OS-Ⅱ要求用户首先调用系统初始化函数OSIint(),对μC/OS-Ⅱ所有的变量和数据结构进行初始化，然后调用函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()建立用户任务，最后通过调用OSStart()函数启动多任务。

Void main (void)

{

OSInit();

.

.

通过调用函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()创建至少一个任务；

OSStart()；/*开始调用调度！OSStart()永远不会返回*/

}

当调用OSStart()函数时，OSStart()函数从任务就绪表中找出

用户建立的优先级最高任务的控制块。然后，OSStart()函数调用高

优先级就绪任务启动函数OSStartHighRdy()。这个函数的任务是把

任务栈中的任务状态参数值恢复到CPU寄存器中，然后执行一条中断

返回指令，中断返回指令强制执行该任务代码。其代码如下：

void OSStart (void)

{

INT8U y;

INT8U x;

if (OSRunning == FALSE)

{

y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

x = OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];

OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3) + x);

OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

OSTCBCur = OSTCBHighRdy;

OSStartHighRdy();

}

}

4、任务的创建