RTOS介绍.ppt

RTOS介绍,嵌入式软件开发入门知识,概要,一、什么是RTOS二、RTOS的功能、特性三、为什么要使用RTOS四、RTOS在UPS中的应用1.系统中的位置2.各系统层次介绍五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II六、使用RTOS后的应用层七、总结,一、什么是RTOS,RTOS是实时多任务操作系统Real-TimeOperationSystem的缩写RTOS是一个程序内核典型的单片机程序在程序指针复位后，首先进行堆栈、中断、中断向量、定时器、串行口等接口设置、初始化数据存储区和显示内容，然后就来到了一个监测、等待或空循环，在这个循环中，CPU可以监视外设、响应中断或用户输入。这段主程序可以看作是一个内核，内核负责系统的初始化和开放、调度其它任务，相当于C语言中的主函数。RTOS就是这样的一个标准内核，包括了各种片上外设初始化和数据结构的格式化，不必、也不推荐用户再对硬件设备和资源进行直接操作，所有的硬件设置和资源访问都要通过RTOS核心。硬件这样屏蔽起来以后，用户不必清楚硬件系统的每一个细节就可以进行开发，这样就减少了开发前的学习量。一般来说，对硬件的直接访问越少，系统的可靠性越高。RTOS是一个经过测试的内核，与一般用户自行编写的主程序内核相比，更规范，效率和可靠性更高。另外，高效率地进行多任务支持是RTOS设计从始至终的一条主线，采用RTOS管理系统可以统一协调各个任务，优化CPU时间和系统资源的分配，使之不空闲、不拥塞。针对某种具体应用，精细推敲的应用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能达到更高的效率；但是对于大多数一般用户和新手而言，采用RTOS是可以提高资源利用率的，尤其是在片上资源不断增长、产品可靠性和进入市场时间更重要的今天。,二、RTOS的功能、特性,(1)更加面向硬件系统，而不是操作者(2)实时性(3)多任务(4)不同的典型外设驱动支持(5)高可靠性,三、为什么要使用RTOS,随着High-endCPU处理事情的日益增加，CPU的利用率的提高已十分必要，引入RTOS能显著提高CPU的利用效率；C语言已经在程序开发中得到广泛的应用，RTOS的引入，可使模块化程度更高，移植性更好，程序更易于维护；随着CPU速度的提高，MemorySize的扩容，CPUHardwareFunction的增加，为RTOS应用提供了条件。Kernel设计达到以下要求：1、提高CPU的利用效率2、增强程序的模块化程度3、增强程序的可移植性，减短应用程序的开发周期4、增强程序的可维护性以及可扩充性,四、RTOS在UPS中的应用,1.RTOSkernel在程序系统中的位置,四、RTOS在UPS中的应用,2、各层介绍2.1硬件层（黄色部分）最底层是硬件层，由对CPU本身提供的寄存器进行操作来实现对各个功能模块的操作。包括DSP/MCU的各个功能模块:EVENTMANAGESCI,SPI,CANI/OPORTSADC2.2硬件抽象层（褐色部分）这一层通过对CPU提供的寄存器进行操作，并将底层获得的数据抽象出来给给更高层次使用，并且通过宏的方式，使更高层的程序与底层代码无关，增强移植性。希望能够得到一组通用的，与CPU无关的，对硬件操作的宏(MACRO)。举例：以TMS320LF2407A为例1、io资源#definehoInvRelayPBDATDIR.BIT.IOPB62、ADC#definemStartAD()ADCTRL2.BIT.SOC_SEQ1=1#definemResetAD()ADCTRL2.BIT.RST_SEQ1=1,四、RTOS在UPS中的应用,2.3DeviceDriver层这一层主要是在各个中断中实现，通过调用硬件抽象层的宏(MACRO)，来获得与低层硬件无关的数据，提供给任务级使用。由于资源的限制，不需要使用统一的接口来控制所有的I/0及外设，对每一种设备采用其各自的宏处理。例如，从rs232接收寄存器中提取数据并存入接收buffer中；通过宏的形式来使inveter中的代码与硬件不相关。2.4面向控制层（蓝色部分)由于在ups系统中，控制部分占着最重要的作用，所以将这一部分单独拿出来，它的位置应该和kernel的位置是对等的，它不受kernel的约束，这一部分是dsp中运算量最密集的部分，最少的代码，占用了最多的时间，需要用汇编编写。这部分的主要内容是inverter控制部分和pfc控制部分。它们相对和其他部分独立，通过几个简单的接口和其余部分交互。控制层占用了大部分的CPU资源，程序执行时间要尽可能短，必要时可用汇编(Assembly)编写。,四、RTOS在UPS中的应用,2.5Kernel层（粉红色部分）Kernel层通过提供特定的系统服务，来实现对任务的调度以及切换，实现任务之间的同步与通信。主要有以下三部分组成：任务的建立和调度任务之间的通信和同步Timer结构以及时间管理2.6任务级（红色部分）主要通过devicedriver层的数据以及其他任务的信号来控制UPS的时序、各个模拟量的检测。这一层是面对UPS,面对客户的应用层。,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,一、文件视图,第一部分、与处理器及用户设定有关的部分在目录kernelports下由四个文件构成，一、OS_CPU.h：主要定义了与处理器有关的基本变量类型，以及与处理器有关的宏二、OS_Config.h：主要定义了用户的一些设置，以及一些开关量三、OS_CPU.C：与处理器系统有关的C函数，包括以下函数OS_STK*OSTaskStkInit(void(*task)(void),OS_STK*ptos)主要对任务堆栈进行初始化，模仿编译器在现场切换时的动作，初始化任务堆栈。四、OS_CPU_A.ASM：需要用汇编语言编写的函数。有以下三个：1、OSStartHighRdy（）：启动当前最高优先级的旧序任务。2、OSCtxSw（）：任务级的任务切换3、OSIntCtxSw（）：中断级的任务切换,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,第二部分、与CPU无关的部分在目录kernelsource下，由5个文件组成：一、OS_HEAD.h：常量、函数的声明以及变量的定义二、OS_CORE.C：定义了系统内部函数，不可以被用户调用，有以下几个函数：1、INTOSOSFindHighPrio(void)找出当前最高就绪的任务的优先级，并返回。2、voidOSSched(void)任务级调度函数，找出最高优先级的就绪任务并切换。3、voidOSInitRdyList(void)初始化任务调度的相关变量，将就绪任务列表清空。4、voidOSInitSys(void)初始化一些系统的变量5、voidOSInitTCBList(void)初始化TCB列表6、voidOSInitTaskIdle(void)创建OSTaskIdle7、voidOSTaskIdle(void)TaskIdle任务三、OS_SHELL.C：定义以下四个函数：1、voidOSInit(void)系统初始化函数2、voidOSTaskCreate(void(*task)(void),INTOSstksize,INTOSprio)创建一个任务3、voidOSStart(void)启动多任务调度，创建任务后，找出最高优先级任务，并且换到该任务执行。4、voidOSIntExit(void)中断退出函数四、OS_EVENT.C：事件管理的函数：1、TASK_EVENTOSEventPend(void)有挂起的等待一个事件2、TASK_EVENTOSEventGet(void)无挂起的等待一个事件3、voidOSEventSend(INTOSprio,INTOSEventId)发送一个事件给优先级prio的任务，并将改任务置就绪，该函数只能在任务级调用。4、voidOSISREventSend(INTOSprio,INTOSEventId)发送一个事件给优先级prio的任务，并将改任务置就绪，该函数只能在中断中调用。五、OS_TIMER.C：时间管理的函数voidOSTimerTick(void)时钟节拍服务函数,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,二、功能组织视图,第三部分、可调用的宏列表kernelportsOS_CPU.h：1、#defineOS_ENTER_CRITICAL()asm(SETCINTM)2、#defineOS_EXIT_CRITICAL()asm(CLRCINTM)kernelsourceOS_HEAD.h：1、#ifOS_TASK_IDLE_EN0#defineOSGetCPUTimeFree()CPUFREE#endif2、#defineOSTimerStart(prio,cnt,period)OSTCBTblprio.TimerCnt=cnt;OSTCBTblprio.TimerPeriod=period3、#defineOSTimerStop(prio)OSTCBTblprio.TimerPeriod=0详细的说明请参见：说明书7宏说明第四部分、可调用的函数列表OS_SHELL.C：1、voidOSInit(void)2、voidOSTaskCreate(void(*task)(void),INTOSstksize,INTOSprio)3、voidOSStart(void)4、voidOSIntExit(void)OS_EVENT.C：1、TASK_EVENTOSEventPend(void)2、TASK_EVENTOSEventGet(void)3、voidOSEventSend(INTOSprio,INTOSEventId)4、voidOSISREventSend(INTOSprio,INTOSEventId)OS_TIMER.C：voidOSTimerTick(void),2019/12/13,13,可编辑,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,数据类型介绍为增强移植型，定义以下的数据类型（OS_CPU.h）typedefunsignedcharBOOLEAN;typedefunsignedcharINT8U;typedefcharINT8S;typedefunsignedintINTOS;typedefunsignedintINT16U;typedefintINT16S;typedefunsignedlongINT32U;typedeflongINT32S;#defineOS_STKINTOSU表示无符号数，S表示有符号数INTOS数据类型是系统最小能够处理的数据类型,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,数据结构介绍,typedefstructOS_STK*OSTCBStkPtr;/栈顶指针;INT16UTimerPeriod;/timer周期;INT16UTimerCnt;/timer计数器;TASK_EVENTOSEvent;/任务事件Event.OS_TCB;,1、OS_TCBOSTCBTblOS_LOWEST_PRIO+1;TCB列表2、INTOSOSPrioHighRdy;当前就绪的最高优先级3、INTOSOSPrioCur;当前任务优先级4、OS_TCB*OSTCBHighRdy;指向最高优先级就绪任务TCB的指针5、OS_TCB*OSTCBCur指向当前任务TCB的指针6、INTOSOSRdyMap就绪表，低位对应高优先级7、OS_STKOSSystemStkOS_MAX_STK_SIZE;系统任务栈区，其大小为OS_MAX_STK_SIZE，必须不小于所有任务任务栈大小之总和8、OS_STK*OSStkPtr;系统空闲堆栈区的头指针。9、#defineOS_STK_GROWTH_UP堆栈生长方向，为1表明堆栈为向上生长型，为0表示向下生长,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,任务划分按照功能耦合的原则，大致可把应用程序划分成以下任务：Supervisor:控制整个ups的时序，状态转换Inverterjob:逆变电压、电流等的计算、侦测，锁相LineJob:市电电压、频率的计算和侦测，波形、零火线侦测LoadJob:负载计算和侦测BatterJob:负责Battery管理TempJob：温度侦测和计算BusJob：负责bus电压的计算和侦测。SciJob:Rs232通讯PannelJob:负责Switch,Display工作ParaJob：并联的控制，包括CAN通讯.SPIJob:负责两个DSP之间的通讯。,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,任务管理和调度每个任务只有三种状态：挂起态、就绪态、执行态,任务堆栈每个任务有各自的独立任务堆栈，这样在采用C语言编写程序的时候才不会有任何的限制任务堆栈的大小由处理器、编译器架构以及任务级的函数嵌套n、中断嵌套m、传递的参数x、临时变量y共同决定任务栈大小=任务控制块每个任务通过一个任务控制块来管理自己的信息，任务控制块的结构如下：typedefos_tcbOS_STK*OSTCBStkPtr;INTOSOSTCBPrio;OS_MSGOSTCBMsg;INTOSOSTCBStat;OS_TCB；,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,任务管理和调度,调度算法按照纯粹的优先级调度算法，在有事件发生的时候，调度优先级最高的就绪任务kernel最多支持16个任务，其中包含一个系统任务OSTaskIdle,切换流程,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,时间划分和管理,大多数任务需要一个定时的机制来实现定时的调度，需要一个定时的中断来管理定时。每一个任务需要一个变量来记录timer的周期（OSTimerPeriod)，还需要一个变量来记录计数值(OSTimerCnt)当timer的周期值为0时，表示这个timer是被禁止的。当计数器的值大于或等于周期值时，将计数器清零，并唤醒任务。唤醒的方式通过发送一个EventId=0的事件给任务的TCB。#defineEVENTID_TIMER0#defineOSTimerStart(prio,cnt,period)/设置周期和计数器OSTCBTblprio.TimerCnt=cnt;OSTCBTblprio.TimerPeriod=period#defineOSTimerDisable(prio)/禁止timerOSTCBTblprio.TimerPeriod=0,五、RTOS举例根据应用裁减的uCOS-II,系统开销,以共11个任务，11个消息队列，11个TIMER计算，不计算任务堆栈的大小。Flash:2kRAM:220个中断级任务切换