（电路与系统专业论文）基于MSP430微控制器的μCOSⅡ实时系统的研究与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

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i i ，p 口 ， 山东大学硕士学位论文 _ _ - _ _ _ i - l _ i _ l _ i _ - _ - l i l l ii _ l l _ _ _ - i l l _ l _ _ l _ l _ _ _ a b s t r a ( x w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n d n k 鹏i n t e l l i g e n ta p p a r a t u s e sa n da n dh o u s e h o l di n f o r m a t i o na p p l i a n c e sa r ea p p e a r i n g i no u rl i f e u n d e rt h eh e l po f c o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , m a n y k i n d so fa p p a r a t u s e sa n dh o u s e h o l d a p p l i a n c e sa r ec o n n e c t e dt ot h ei n t e m e t b yt h i s w a y , 眦g a i nt h ep 嘲l ，c o m f o r t a b l e , c o n v e n i e n ta n dh i g he 伍c i c n t 嘶“馏 t i mt h 船i $ b l i n g sf o r w a r dap r o j e c tt h a t 缸i p l 蜘晌gl = c o s - na n dt c p i p p r o t o c l so nm s p 4 3 0 f 1 4 9 。c o l l s i a x l c t $ a ne m b e d d e dc o m m u n i c a t i n gp l a t f o r n l a ne m b e x l d e z ls y s t e mi sas p e c i a lp u r p o s ec o m p u t e rs y s t e m i ti sp a r to fa l a r g e r s y s t e m o rm a c h i n e t y p i c a l l y , a ne m b e d d e ds y s t e mi sh o u s e do na 咖g l c m i c t o p r o c 七s s o rb o a r dw i t ht h ep r o g r a m ss t o r e di nr o m s 锄ce m b e d d e ds y s t e m s i n c l u d ea no p e r a t i n gs y s t e m e m b e d d e ds y s t e mi st h ei n t e g r m i o no fa d v a n c e d c o m p u t i n g ，e l e c u o n i c a la n do t h e ri n d u s t r i e st e c h n o l o g i e s g e n e r a u yi ti ss u i t a b l ef o r s p e c i a la p p l i c a t i o n sa n ds p e c i a lu s c 搐t h ee m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di nt h e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s , a p p a r a t u s e s , a e r o s p a c e , a n ds o p c o s - i sah i 【g hp e r f o r m a n c e , d e t e r m i n i s t i ca n d 砌一p n 瑚n 砸v er e a l - t i m e k e r n e l i ti sw r i t t e ni nh i g hp o r t a b l ea n s ica n dc a nb ee m b e d d e di nc o n 涮a l p r o d u c ：t s i th a sb e e np o r t e dt om a n y k i n d so f m i c r o p r o c e s s o r s m s p 4 3 0 f 1 4 9i so n ek i n dp r o d u c to f t ii n c o r p o r a t e dw i t hh i g hc o s tp 日内加a n i t su l t r a l o w - p o w e r 卸c h i t e d 黼c o n s 矗r a p t i o ne x t e n d sb a t t e r yl i f e i t s 岫- p e t f o r m a n c e a n a l o gi si d e a lf o rp r e c i s i o nn 坞a 吼l n 釉e 毗a n di t sf l e x i b l ec l o c ks y s t e mi sd e s i g n e d s p e c i f i c a l l yf o rb a t t e r y - p o w e r e da p p l i c a t i o n s i n t m 】e th a sd e e p l ya f f t e do u rl i f ea n dw o r k i ts h o r t e n st h ed i s t a u b e t w e e n u sa n dm a k e st h ec o m m u n i c a t i o ne a s i e r t c p i pp r o t o c o ls u i t ei s 谢d e l yu s e di n i n t e m e li ti sau n i v = s a la n ds t a b l en e t w o r ks y s t e m t c p i p 州d e sa b u n d a n t p r o t o c o l s ，s u c ha s 眦i c m p , t c p , u d p , i p , a n d s o0 1 1 t o 托a i i z et c p i pd e m a n d sm u c hr a ma n dc o d es p e ，b mm s p 4 3 0 f 1 4 9 啪t m e e t 也i sd e m a n d i nt h i st h e s i s , t c p i pm a i n l yc o m p l e t e st h ed a t ac o t l e c t i o na n dd a t a 缸a n s f e ll e a v i n ga l o n en e t w o r km a n a g = m 舡t , m a i lt r a l x s f e r , e t c s oa sp o r t i n gt c p i p t om s p 4 3 0 f 1 4 9 o n l ys o m ep r o t o c o l s 雠r e a l i z e d ：脚：i p , i c m p , t c eh 劬苜m o r e ， i no r d e rt or e d u c et h e u , q a g eo f r , 枷e n df l a s h ，也e y 啦s i m p l i f i e d 山东大学硕士学位论文 - - l l _ _ l l i _ - i i l _ _ _ l _ _ i l _ i _ _ - _ _ _ _ l i _ _ _ _ - l _ _ _ _ l - - - _ - _ _ _ i t h i st h e s i sh a sr e a l i z e dt h eb a s i ca p p l i c a t i o n s a n di th a sb e e ng ，p f i e dt o m e t e r - r e d i n ss y s t e mo f c a l o r i m e t e r o t h e ra p p a r a t u s e sa n d h o u s e h o l da p p l i a n c e s 啪 a l s o 龀l o p tt h i sp l a t f o r mt or e a l i z ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t k e yw o r d j ：e m b e d d e ds y s t e m ，p o r t ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，i j c o s - i i ，田 山东大学硕士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 随着信息技术的不断发展，以及人们对日常生活舒适度、方便度要求的提高， 人们希望各类仪表、家电等设备不但能够完成常规的功能，还能够实现远程的实 时控制和数据采集等功能 早期仪表、家电等设备的实时控制一般都采用串行口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线等这些方式，这些通信协议的硬件资源都集成在单片机上，只能做近距离连 接，而且需要专门布线多，是一个封闭的系统。 随着i n t e r n e t 的发展壮大。网络可靠性、安全性的提高，电子设备也开始向互 联网方向发展。家电、仪表等设备可以接入到i n t e r n e t ，我们可以在世界的每一个 角落通过i n t e r n e t 来访问、控制这些设备这就是我们通常所说的“后p c 时代”， 即网络智能设备时代 在“后p c 时代”中，网络将重塑人们的生活模式我们身边的热表、电表、 水表，电话机、电视机、空调机、打印机、复印机、传真机、电冰箱、计算器、 微波炉，甚至于交通工具、娱乐方式，都将与i n t 咖c t j 窑接起来 目前把仪表，家电等接, h , i n t e r n e t 的解决方案主要有专用芯片、网关技术、嵌 入式系统等三种，其中第三种方案是在m c u 上嵌入操作系统、t c p i p 协议，通 过自身的系统将智能终端接入i n t c r n c t 智能终端内部配备的m c u 能够读取设备 数据，并具有一定的控制功能本论文采用的就是第三种方案 1 2 嵌入式系统撅述 1 2 1 嵌入式系统及其发展历程 在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一 个角落在我们的生活当中，不仅需要是处理文档、进行工作管理和生产控制的 计算机：各种各样的新型嵌入式系统设备也日益广泛应用各种嵌入式电子产品， 网络家电，智能家电等出现在我们的生活当中 山东大学硕士擘位论文 嵌入式系统技术已经成为最热门的技术之一嵌入式系统就是以应用为中 心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成 本，体积、功耗严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，纵观嵌入式技术的发展过程， 大致经历了四个阶段：以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能；以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心 的嵌入式系统；嵌入式操作系统阶段；以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统目前大 多数嵌入式系统还孤立于i n t e r i m 之外，但随着i n t 豇 a c t 的发展以及i a t e m e - t 技术 与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i m p n e t 的结合将代表 嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟， 它与网络、i n t e r a e t 结合将日益密切 1 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统属于专用计算机系统，它跟通用型计算机系统相比，通常具有以 下几个不同的特点： ( 1 ) 嵌入式系统是先进的计算机技术、电子技术和各个行业的具体应用相 结合后的产物，技术密集、资金密集 ( 2 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，它采用独立的操作系统，通常都 有低功耗，体积小，集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多板卡完成的任务 集成在芯片内部 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件设计效率高，同样的硅片实现更高的性能 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，具有较长的生命周期 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自行开发能力，用户通常必须有一套开发工具 和环境才能对其中的程序功能进行修改的 ( 6 ) 为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作系统需要具有以 下特点；良好的移植性，占有更少的硬件资源，高可靠性，提供强大的网络功能， 支持t ( ：p 仰协议及其他协议，具有实时性。 嵌入式系统在以后会有越来越大的发展空间，分析它的现状以及人们对其应 用的日益广泛，可以预测它的发展趋势是低功耗、多媒体化、网络化和智能化 山东大学硕士学位论文 l 嵌入式处理器和嵌入式操作系统 从体系的角度来定义嵌入式系统，可以把它们划分为下面五个模块：嵌入式 处理器、嵌入式操作系统、用以保存圃件的r o m 、用以存程序数据的r a m 、连 接微控制器和外部器件的i 0 端口 在这五个模块中。嵌入式处理器和嵌入式操作系统是核心模块 嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，它对实时多任务有很强的支持能 力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间；具有功能很强的存储区保护功能： 有可扩展的处理器结构；它的功耗很低，适用于移动的计算与通信设备中以及靠 电池供电的嵌入式系统 目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总置已经超过1 0 0 0 多种， 流行体系结构有3 0 多个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半根据现状，嵌入式处 理器又可以分为嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式微控制器 ( m i 钾：乜d l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式数字信号处理器( d i g i t a ls i 弘a lp r o c e s s o r ， d s p ) 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 等类型 嵌入式操作系统的概念出现在2 0 世纪7 0 年代当时，大部分嵌入式系统的 软件都是由汇编语言编篡而成，它只能应用于某种特定的微处理器和应用，满足 某些简单的应用。自1 9 8 1 年发展了世界上第一个商业嵌入式实时操作系统 盯x 3 2 至今，嵌入式实时操作系统已有2 0 多年的发展历程 2 0 世纪9 0 年代后，嵌入式实时操作系统已在嵌入式系统中确立了主导地位， 在技术上具有如下突出的特征：更易于移植、源代码开放、高可靠性。嵌入式实 时操作系统典型产品如下v x w o r k s 、p s o s 、v r t x 、n u c l e u s 、l y n x 、w i n d o w sc e 、 r t - l i n u x 、t t c o s 4 等等 其中i j c o s - i i 是一个免费的小实时操作系统内核，内核代码仅仅几到几十 i d 3 y t e s ，它己有十几年的应用史，并被成功地移植到了许多不同架构的处理器上 在本论文中用到的嵌入式处理器是1 1 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，用到的操作系 统是i t c o s - i ，将在第二章中将介绍它们 1 3 本论文的主要任务 l 论文课题来源于山东大学信息科学与工程学院山大科技集团的科研项目：热 山东大学硕士学位论文 量表部件的研制开发 本论文实现了一种具体的嵌入式操作平台，采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器，移 植了p c o s 嵌入式实时操作系统，并且实现了t c p i p 协议栈的嵌入该系统 低成本、低功耗，可广泛应用于水表、热表、电表等的远程自动抄写系统 本论文的主要章节内容安捧如下： 第一章是绪论，介绍了涉及课题的研究背景、意义和现状，嵌入式系统，该 论文的主要任务 第二章介绍了论文中用到的处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，分析了该处理器的外部结 构，内部特点，以及它的指令系统和内存管理；介绍了心= ，o s - 嵌入式系统， 以及它的内核体系结构、任务管理、内存管理、时间管理等多方面的内容。并结 合m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片特点，实现了弘c o s 的移植工作 第三章把t c p i p 协议栈嵌入到肛c ，o s - ，从而在m s p 4 3 0 f 1 4 9 上实现了嵌 入式操作系统和t c p i p 网络协议，构建了嵌入式数据传输平台 第四章从硬件电路，到驱动程序，到整体网络平台等三个方面，详细介绍了 智能热表系统的实现 第五章对全文的研究工作做出总结，提出了论文课题未完成的工作以及迸一 步研究的方向 9 第二章嵌入式实时操作系统t t c o s - i i 的移植 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 2 1 1m s p 4 3 0 系列单片机介绍 美国德州仪器公司( 1 1 ) 是全球领先的半导体公司，为现实世界信号处理提 供创新的数字信号处理器p s p ) 及模拟技术 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器公司近几年开发的新一代1 6 位单片 机，该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电 压，超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用有多个系列和型号，它们分别 在一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成典型应用是智能家庭仪表、医 疗设备和保安系统等方面由于其较高的性能价格比。应用已日趋广泛 m s p 4 3 0 系列单片机可以分为以下几个系列：x i x x ，x 3 x x ，x 4 x x 等等， 而且在不断发展，从存储器角度，又可分为r o m ( c 型) 、o t p ( p 型) 、e p r o m ( e 型) 、f l a s h m e m o r y ( f 型) 系列的全部成员均为软件兼容，可以方便地在 系列各型号间移植m s p 4 3 0 系列单片机的m c u 设计成适合各种应用的1 6 位结 构它采用。冯一纽曼结构”，因此r a m 、r o m 和全部外围模块都位于同一个 地址空间内 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下一些共同特点：低电压、超低功耗、强大的处 理能力、系统工作稳定、丰富的片上外围模块，方便高效的开发环境、适应工业 级运行环境、多种时钟模块，型号种类多 2 1 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 简介 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 公司推出的m s p 4 3 0 f 1 4 x 1 3 x 系列单片机中的一款，非 常适合于要求低功耗、多功能的嵌入式应用系统中，在该论文方案中我们选择该 芯片 m s p 4 3 0 f 1 4 9 结构框如图2 1 所示 山东大学硕士学位论文 图2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 结构框图 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是f 1 4 x 系列中功能最强大的一款产品，它的特点如下： ( 1 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 有超低功耗结构体系：0 1 - 4 0 0 衅额定工作电流( i m i i z ) ； 1 8 句6 v 工作电压；从备用模式唤醒只需6 螨；中断能力丰富，减少了查询的需 要 ( 2 ) 灵活，强大的处理能力：源操作数有七种寻址模式：目的操作数有四 种寻址模式；仅仅2 7 条核心指令；优先级，嵌套中断结构；大寄存器组；程序可 在r a m 中执行；直接查表处理；快速的1 6 进制与l o 进制的转换 ( 3 ) 丰富的存储器、外设：f l a s h 容量6 0 k b - i - 2 5 6 b y t e s ；r a m 容量为 2 0 4 8 b ；基本时钟系统，片内d c o 两个晶体振荡器；1 6 位看门狗定时器，通用目 的定时器；t i m e r _ a ：t i m e r _ b ；6 - 个i o 端口；比较器j 口a d 转换：u s a r t 0 ： u s m 盯l ；硬件乘法器 ( 4 ) 功能强大的、易于使用的开发工具：模拟仿真，包括外设和断点仿真： c 编译器：汇编语言；连接器；评估板；编程器；应用记录；代码事例 2 1 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 的硬件资源 下面就m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有的硬件资源予以简要的介绍。 ( 1 ) 中央处理器 c p u 中包含1 6 个寄存器，可以在一个时钟周期内完成寄存器与寄存器问的 操作其中4 个寄存器用作特殊用途，一个程序计数器，一个堆栈指针，一个状 l l 当奎查主要圭主竺兰奎一 态寄存器和一个常数发生器，其余寄存器都可以用作通用寄存器外围模块通过 数据、地址和控制总线与c p u 连接，通过所有存储器操作指令可以很容易的对 它们进行控制 有1 4 个1 6 位寄存器( r o 、r 1 、r 4 , - r 1 5 ) 用于存放数据和地址，利用它们 能寻址达6 4 k b 范围( r o m 、r a m 、外围模块等) ( 2 ) 存储空闻 在1 6 位结构的应用系统中采用了冯一诺依曼存储结构，即r a m 、r o m 及 外设地址均在同一地址空问内因此可以以相同的指令访问r a m 、r o m 或者执 行外围模块，也可以执行r a m 中的程序代码图2 2 为存储空间的结构 如字字节 如字字节 r 字，字节 t i n i e r ， 字 d c 等 i o l o 。 定时器t l 口 字节 等 s f i字节 图2 2 存储空间结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用f l a s h 存储器作为程序代码以及信息的存储，可以实现 多次擦除和写入，也可以在线写入它是由多个不同体积的模块组成，一个模块 又分为多个段，包括n 段主存储器( 每个段5 1 2 字节) 和2 段信息存储器( a 和 b 每个段1 2 8 字节) 段0 到n 可以一次性删除，也可以每个段单独删除，最小的擦除单位是段， 无法实现单字或单字节的擦除擦除之后各位为l ，写入和读出是按字或字节进 行操作的，在f l a s h 存储器擦除和写入时不能对其进行访问 山东大学硕士学位论文 段a 和段b 可以单独删除，或者和段o - n 一起删除产生编程，删除电压， 内部电压发生器不需要外部提供编程电压，但需要v c c 提供足够的电流 膦h 存储器分段如图2 3 所示 f f f f h f e 0 0 h f c d 0 h f 0 0 n f 8 h 1 1 0 叭 1 0 8 0 1 3 1 0 0 0 h 图2 3 f l a s h 存储器分段 一个f l a s h 存储器模块包含3 个控制寄存器、时序发生器，提供编程及擦 除电压的电压发生器和存储器本身 ( 3 ) 系统复位和初始化 m s p 4 3 0 f 1 4 9 系统的复位电路提供了两个内部复位信号；上电复位信号 ( p o r ) 和上电清除信号( p u c ) 各种不同的事件能触发产生这些复位信号。 根据不同的复位信号会产生不同的初始化状态 ( 4 ) 中断系统结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有4 类中断：系统复位、可屏蔽中断、非屏蔽中断、屏蔽中断 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的可编程中断结构可以组成灵活的片上和外部中断体系，以适应实 时中断驱动系统的需要每个中断源可以用各自的中断允许位单独关闭而状态 寄存器中的通用中断允许位g i e 可以禁止全部可屏蔽中断 ( 5 ) 工作模式 通过对不同模块操作模式和c p u 状态的智能化管理，m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的 工作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求即便在中断处理期间也一 山东大学硕士学位论文 j i i i i i i i i i i - 样系统使用的时钟信号有a c l k 和m c l k ，a c l k 就是晶振的频率信号，m c l k 和s m c i x 是a 叫【的倍频信号。作为系统和子系统时钟 通过软件对内部时钟系统的不同设置可以控制芯片处于不同工作模式，整个 时钟系统提供丰富的软硬件组合形式，以达到最低的功耗并发挥最优的系统性 能 ( 6 ) 低功耗特性设计 在嵌入式系统开发中，都特别强调单片机超低功耗特性通过前面介绍我们 知道m s p 4 3 0 f 1 4 9 也具有超低功耗特点的特点也在于此m s p 4 3 0 f 1 4 9 规定了几 种不同功耗的工作模式，可以根据具体的需求来选择不同工作模式的规定通常 是通过读写寄存器来控制c p u 、时钟、晶振以及外围设备的运行来实现的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有6 种不同的工作模式，可以通过对状态寄存器s r 的读写来实现 在i t c o s - r l 中，由于每个任务都可以分别保存自己的状态，包括状态寄存嚣， 所以在实现低功耗工作模式时更加灵活方便首先，在设计每个任务时。都可以 根据任务的具体要求定义它的工作模式其次，在整个系统设计中，设计一个最 低优先级的任务，其作用就是使系统进入特定的低功耗工作模式这样，在其它 任务都运行完毕后。系统会调用这个任务使整个系统进入低功耗工作模式当其 它任务又恢复运行时( 如延时结束) ，会自动进入其特定的工作状态，以达到降 低功耗的目的 ( 7 ) 振荡器和系统时钟 主系统时钟信号m c l k ，供c p u 和系统使用子系统时钟s m c l k ，供外 围模块使用辅助时钟a c l k 。供外围模块使用d c o c l k 的频率有软件来确 定，如果s c g i 复位，d c o c l k 有效；如果s c g l 复位，d c o c l k 停止 ( 8 ) 数字i ，o - 共有6 个8 位f o1 ：2 ，p 1 口到p 6 口互补输出，p i1 ：2 和p 2 口使用7 个控制 寄存器，而p 3 ，p 4 、p 5 和p 6 口只用其中4 个控制寄存器，最大限度提供了输 入，输出的灵活性 ( 9 ) 看门狗定时器 看门狗定时器( w d t ) 模块的基本功能是当软件执行出现混乱时可以控制 系统自动复位，如果设定的溢出时间到了，系统将产生复位如果应用程序不需 要看门狗功能。这个模块可以作为一个内部定时器来使用，当选择的定时时间到 1 4 山东大学硕士学位论文 了以后，它可以产生一个定时中断 看门狗定时器的计数器( w d t c n t ) 是一个1 6 位增计数器，它不能直接用 软件访问，要经过w 聊咖，对w d t c n t 进行控制 ( 1 0 ) 外围模块 外围模块经m a b ，m d b 和中断复位及请求线与c p l i 相连对于大多数外 围模块，m a b 通常是5 位，m d b 是8 位或1 6 位大多数外围模块工作在字节 形式8 位数据总线的模块经总线转换电路连到1 6 位的c p u 这些模块的数据 交换毫无例外地用字节指令操作，s f r ( 特殊寄存器) 的处理也全部位字节指令： 部分工作在字形式的外围模块必须用字指令操作 2 2 l i c o s - i i 介绍 2 2 1 p c o s - i i 简介 i _ t c o s n 是由美国的j e a nj l a b l - o 嫩先生撰写的1 9 9 2 年推出了i t c o s ， 后来经过改进，于1 9 9 9 年推出了t t c o s i i ，并在2 0 0 2 年出版了第二版嵌入式 实时操作系统p c o s - i i ) p c o s 是用a n s i 的c 语言编写的，包含一小部分 汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用，该系统经过多年的发展，已 经在超过4 0 种不同架构的微处理器上成功运行，并且在数码相机、航空、音响、 医疗器械、电子乐器、发动机控制、网络设备等许多行业得到成功的应用 p c o s i i 是一开始就为嵌入式系统设计，代码量小它由j e a nj l a b r o s s e 一个人设计具有良好和统一的代码风格，特点具体如下： ( 1 ) 有源代码：1 1 c o s i i 的源代码干净、漂亮、和谐一致，注释详尽，组 织有序，方便用户了解系统的实时内核，给用户的移植工作提供便利 ( 2 ) 可移植性：i t c o s i i 源码绝大部分是用移植性很强的a n s ic 编写的， 与微处理器硬件相关的部分是用汇编语言写的，便于移植到其他微处理器上 ( 3 ) 可固化：可以将p c o s - i i 嵌入到产品中作为产品的一部分 ( 4 ) 可裁剪：具体的工程应用可以选择i t c o s i i 中的某些系统服务。这样 可以根据处理器的存储空间( r a m 和r o m ) 情况，选择需要的i j c o s - i i 功能 ( 5 ) 可剥夺性：p c o s - t i 是完全可剥夺型的实时内核，i _ l c o s - i i 总是运行 就绪条件下优先级最高的任务 山东大擘硕士学位论文 ( 6 ) 多任务：p c o s - i i 可以管理6 4 个任务，用户的应用程序有5 6 个 ( 7 ) 可确定性：绝大多数i t c o s - i i 的函数调用和服务的执行时间具有可确 定性。用户总是知道世? j o s - n 的函数调用与服务执行的确切时问 ( 8 ) 任务栈：每个任务都有自己单独的栈i t c o s - i i 允许每个任务有不同 的栈空间，以便压低应用程序对r a m 的需求 ( 9 ) 系统服务：g c o s - i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥型信号量、 事件标志、消息邮箱、消息队列、时间管理函数等 ( 1 0 ) 中断申请：中断可以使正在执行的任务暂时挂起如果优先级更高的 任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行 ( 1 1 ) 稳定性和可靠性：i _ l c o s i i 每一种功能、每一个函数及每一行代码都 经过了考验与测试 2 2 2 i i c o s - i i 的内核体系结构 p c o s - h 是多任务的实时内核，p c o s 的内核包括任务调度、任务管理、 任务的通信与同步、内存管理等基本功能它的内核体系结构如图2 4 所示 1 6 图2 4w - j o s - u 的内核体系结构 山东大学硕士学位论文 p c o s - i i 系统中，内核负责管理不同的任务，给每个任务分配c p u 时间及 其相关的资源，并且负责任务之间的通信因为实时内核允许将应用分成若干个 任务，由实时内核来管理它们，从而使用实时内核可以大大简化应用系统的设计 内核提供信号量管理、邮箱、消息队列、延时等系统服务，能更有效地利用c p u 下面了解p c o s a 的内核结构的一些概念 ( 1 ) 临界段 多个任务可以共享的某一资源，但是在某一时刻只允许一个任务访问该资 源，这就是临界段( c r i d c a ls e c t i o i n s ) i a c i o s 在处理临界段时，为了避免同时 有其他任务或中断服务进入临界段代码，需要关中断，处理完毕后再开中断关 中断的时间是实时内核的最重要的指标之一，它会影响用户系统对实时事件的响 应特性p c o s h 提供了两个宏来开中断和关中断。它们是 0 sd m rc i t m c a “) 和o s _ e x i t _ c p d t i c a l ( ) ，由于这两个宏的定义取决 于使用的微处理器，因而在文件o s _ c p u h 中可以找到它们的定义 ( 2 ) 任务 善 在i j c o s - h 中，任务通常是一个无限的循环任务跟其他c 函数的代码类 似，有返回值类型和参数。但是任务函数是永远不会返回的当任务完成以后， 任务可以自我删除。并非真的删除，p c o s 只是简单的不再理会这个任务这 个任务的代码也不会再运行 i _ l c o s 可以管理多达6 4 个任务，其中优先级为o ，l ，2 ，3 以及 o s _ l o w e s t _ p r i o 一3 ，o s _ l o w e s t - p r i o 一2 ，o s _ l o w e s t _ p p d o l ， o sl o w e s tp r i o 的八个任务，在应用程序开发时不建议使用。因此用户实际 可以建立5 6 个任务任务在创建时被赋予不同的优先级，优先级的数值越小， 则任务的优先级越高，于是p c o s o i i 总会运行进入就绪状态的、优先级最高的 任务 p c o s - l i 控制下的任务状态通常是以下五种之一：睡眠态、就绪态、运行态， 等待状态、中断服务态 ( 3 ) 任务控制块o s _ t c b 在) * c i o s i i 中，采用任务控制块的方式对任务进行管理的，任务建立以后， 任务控制块会被赋值任务控制块是一个数据结构，全部驻留在r a m 中当任 务的c p u 使用权被剥夺时，p c o s 用它来保存该任务的状态当任务重新得 1 7 山东大学硕士学位论文 _ - - _ _ - _ _ - - _ - _ _ - _ - - _ - - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ 一i i _ 一 到c p u 使用权时，任务控制块能确保任务从被中断点无差错地继续执行下去 ( 4 ) 就绪表 p c o , s - 利用就绪任务表对任务进行优先级的调度i * c o s - i i 中，每个任务 赋予不同的优先级，从0 级到最低优先级o sl o v e s tp r m ( ) 每一个就绪的任务都放入就绪表中。就绪表中有o s 黜b r g f p 和o s r d y t b l 口 两个变量在o s r c d y c , r p 中，任务按优先级分组，8 个任务为一组o s r e d y c 坤 中的每一位表示8 组任务中每一组中是否有进入就绪态的任务任务进入就绪态 时，就绪表o s r d y t b l d 中的相应元素的相应位也置位为1 就绪表o s r d y t b i 口 数组的大小取决于o s _ l o w e s u i u 0 ( ) 当应用程序中任务数目比较少时，可 以通过减少o sl o w e s u r i o ( ) 的值来降低p c o s - i i 对r a m 的需求量 ( 5 ) 任务调度与切换 任务调度工作由函数o s s c h d i ( ) 来完成i t c o s - h 总是运行就绪态任务中优 先级最高的那一个，优先级的高低是由调度器( s c l d m 盯) 完成的中断级的调 度是由另一个函数o s i n t e x t ( ) 完成的 当调度器确定更重要的任务该运行了，就调用o st a s ks w ( ) 作任务切换， 即人为模仿了一次中断任务切换通常由两步完成：将被挂起任务的处理器寄存 器推入堆栈；然后将较高优先级任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器中 o s _ t a s k _ s w ( ) 是宏调用，通常含有微处理器的软中断指令，将与实际处理器 相关的软件中断封装起来，使之可以在多种处理器开发平台上移植 ( 6 ) 调度器上锁和开锁 给调度器上锁函数o s s c h c d l o c k ( ) 用于禁止任务调度，保持对c p u 的使用 权，任务完成后，调用给调度器开锁函数o s s c h c d u n l o c k ( ) 这两个函数必须成 对使用 ( 7 ) 空闲任务 p c o s - h 总有建立一个空闲任务( i d l et a s k ) 。这个任务在没有其他任务进入 就绪时运行并且这个空闲任务【o s t a s k i d l c ( ) 】永远设为最低优先级，即 o s _ l o w e s t _ p r i ( ) ( 8 ) 统计任务 p c o s - i i 有个任务o s t a s k s m i ( ) ，统计运行时间1 秒钟运行一次，计算 当前的c p u 利用率，用百分比表示 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 9 ) l l c o s - n 的中断处理 倒o s 中，中断服务予程序用汇编语言编写，负责将全部c p u 寄存器推 入当前任务栈c o s - n 允许中断嵌套，由中断嵌套层数计数器o s i n t n a r d n g 跟 踪嵌套层数 ( 1 0 ) 心o s - n 初始化和启动 。 肛s - 开始首先调用系统初始化函数o s i i n l ( ) ，然后才能调用其他服务 o s i i n t ( ) 初始化”c o s - i i 所有的变量和数据结构，并建立空闲任务o s _ t a s i d d l e ( ) 在启动t t c o s - i i 之前，至少建立一个应用任务再通过o s s t a n ( ) 实现多 任务的启动下面是心0 s - 的初始化和启动程序清单： v o i d m a i n ( v o i d ) o s l n i t