嵌入式实时操作系统UC教案.doc

嵌入式实时操作系统UC/OS-II原理及应用第1章 嵌入式实时操作系统的基本概念1.1 计算机操作系统1.1.1 什么是计算机操作系统1、计算机体系构架2、操作系统的作用：1）对计算机系统的主要资源进行管理；2）向计算机用户提供相关服务；3）隐藏计算机硬件，为应用程序提供透明的操作环境。1.1.2 操作系统的作用和功能 1、操作系统的作用 为应用程序提供一个界面友好，性能稳定、安全，效率高，操作方便的虚拟计算机2、操作系统的功能1）处理器管理2）存储管理3）设备管理4）文件管理5）网络和通信管理6）提供用户接口1.2 嵌入式系统和嵌入式操作系统1.2.1 嵌入式系统的基本概念 1、什么是嵌入式系统 2、嵌入式系统的发展历程微型计算机单板机单片机单片系统 3、嵌入式系统的特点 1）专用性强 2）可裁剪性好 3）实时性与可靠性好 4）功耗低1.2.2 嵌入式操作系统1、什么是嵌入式操作系统 运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件2、嵌入式操作系统的特点 1）微型化 2）可裁剪性 3）实时性 4） 高可靠性 5）易移植性3、实时操作系统 能及时响应外部事件的请求，并能及时控制所有实时设备与实时任务协调运行，且能在一个规定的时间内完成对事件的处理，这种操作系统称为实时操作系统。4、实时操作系统的基本要求 1）实时系统的计算必须产生正确的结果。（逻辑或功能正确） Logical or Function Correctness) 2）实时系统的计算必须在预定的时间内完成。（时间正确） Timing Correctness5、实时操作系统的分类1）硬实时操作系统（极严格的时间内完成实时任务）2）软实时操作系统 （系统完成实时任务的截止时间要求不十分严格）1.2.3 实时操作系统需要满足的条件 1、实时操作系统应满足的条件 1）必须是多任务操作系统 2）任务的切换时间与系统中的任务数无关 3）中断延迟的时间可预知并尽可能短1.2.4 嵌入式系统的任务及嵌入实时操作系统1、嵌入式系统的任务 由于嵌入式系统所完成的是对一个装置或设备的控制任务，任务的功能相对固定，因此在一般情况下嵌入式实时操作系统所支持的典型任务应该是一个无限循环结构。并在无限循环中完成用户的工作。2、嵌入式实时操作系统的功能1）内存管理2）多任务管理3）外围资源管理3、嵌入式实时操作系统的现状1.3 嵌入式实时操作系统UC/OS-II简介1、系统的基本情况2、系统的基本体系结构第2章 预备知识2.1 开发工具 1、BC简介 2、BC精简版的使用示例 1）程序代码 2）编辑程序3）源程序编译 bcc c ml Ic:bcinclude Lc:bclib test.c c:指定将源文件编译成目标文件的选项 ml;ms;mh:指定内存的使用模式 I：指定包含文件的选项 4）把目标文件连接成可执行文件 3、多文件程序的编译和连接 示例见P192.2 工程管理工具make及makefile 1、make工具：工程管理工具或项目管理工具，其实质是开发工具提供的一个程序。该实用程序可按照一个由用户编写的脚本文件来对工程项目进行管理 1）工具文件名：make.exe 2) 工程管理对象：makefile文本文件。 2、makefile的结构 1）makfile就是对源文件进行编译连接的脚本文件 2）makfile的结构：一组用来完成工程管理工作的命令集 例： target1: md 11 target2: md 22 target3: rd 11 rd 22 3) 运行 make即解释和执行makefile中的内容3、标号的作用 makefile的首段为make.exe的默认执行段，而其他段的执行则需要在make中通过标号来指定4、target的目标作用：目标：生成目标所需要的信赖文件名 命令集5、make工具对依赖文件时间戳的检查make工具在执行makefile的各个程序段时，首先会检查目标（target）文件是否已经存在，如果存在，则会进一步检查目标所依赖文件的时间戳，只有当依赖文件比现有目标新时，其命令集才会被执行。6、伪目标：只起目标作用的目标称为伪目标。7、makefile的文件名8、makefile中的变量定义：变量=值变量的引用：$(变量名)2.3 复杂工程项目的管理 2.3.1 批处理文件与makefile的综合使用 1、批处理文件 2、说明 ECHO OFF：关闭命令操作的使用，只作输出 ECHO ON：启用命令的操作有效 3、批处理文件的启动。 2.3.2 复杂工程管理示例 1、原因：一个复杂的系统由很多不同的文件组成，且不同的文件放在不同的文件夹下，makefile要能实现对同一文件夹下不同的文件或在不同文件夹下的文件实施管理。 2、批处理文件 3、makefile文件 2.4 常用数据结构 2.4.1 程序控制块1、操作系统的管理：就是在了解被管理的基本信息之后，在需要时，按照某种规则对这些被管理对象进行分配、调度等操作。1）程序控制块：其实质是一个结构体： typedef struct tcb char* code_name; int p; int v_number; void (*fun)(void); 2)控制块应用实例2.4.2 控制块的组织链表1、链表的基本结构2、链表的访问方式3、链表在操作系统中用途 对操作系统所管理的文件系统进行管理和操作2.4.3 位图 1、位图的结构 2、位图的作用：登记操作系统所管理的资源。第3章 C/os-II中的任务3.1 任务的基本概念3.1.1 任务及其内存结构1、任务：为解决某一问题的程序实体2、任务的结构：1）任务程序代码（函数）：任务的执行部分2）任务堆栈：用来保存任务的工作环境3）任务控制块：关联了任务代码的程序控制块，它记录了任务的各个属性。3、进程：具有私有空间的任务称为进程 线程：没有私有空间的任务称为线程4、任务的分类 1）用户任务：由应用程序设计者编写的任务，其目的是为了解决应用问题2）系统任务：由系统提供的任务，其目的是为应用程序提供某种服务或为系统本身服务。3.1.2 任务的状态1、任务状态1）睡眠状态：任务只是以代码的形式驻留在程序空间，还没有交给操作系统管理的状态2）就绪状态：如果系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表进行了登记的状态3）运行状态：处于就绪态的任务如果经调度器判断获得了CPU的使用权，并占用了CPU的状态4）等待状态：正在运行的任务，需要等待一段时间或等待某一个事件发生或某一资源而暂时让出CPU，并暂停程序的运行的状态5） 中断服务状态：一个正在运行的任务响应中断请求而暂时中断程序运行的状态2、五种状态之间的关系图见P443.1.3 用户任务代码的一般结构1、用户任务代码的一般结构 1）超循环结构：任务的执行代码通常是一个无限循环结构，并且在这个循环中可以响应中断。 2）超循环结构代码示例： void Mytask ( void * pdata) for(: :) 可以被中断的用户代码； OS_ENTER_CRITICAL(); 不可以被中断的用户代码； OS_EXIT_CRITICAL(); 可以被中断的用户代码; 2、用户应用程序的一般结构 1） main（）函数的作用负责任务的创建并将它们交给系统。 2） 用户任务的本质就是一个C语言函数，但这个函数不是由主函数来调用的函数，在系统中它与主函数处于平等的地位，它们何时被运行以及何时被中止是由操作系统来调度。3.1.4 系统任务 1、C/os-II预定义的两个任务： 1）空闲任务：每个应用程序必须使用 void OS_TaskIdle(void *pdata) # if OS_CRITICAL_MATHOD=3 OS_CPU_SR cpu_sr; # endif pdata=pdata; for(; :) OS_ENTER_CRITICAL(); OSdleCtr+; OS_EXIT_CRITICAL(); OSdleCtr空闲任务计数器 注：该任务不能通过应用程序进行删除 2）统计任务：应用程序根据实际需要来选择使用 统计任务的工作原理 该任务每秒计算一交CPU在单位时间内被使用的时间，并把计算的结果以百分比的形式存放在变量OSCPUsage. 统计任务的使用方法 A）将OS_CFG.H中的系统配置常数OS_TASK_STAT_EN设置为1。 B）在程序中调用OSStatInit()对统计任务进行初始化。 C）再调用OSTASKStat()函数实现统计任务的调用3.1.5 任务的优先权及优先级别 1、C/os-II的多任务调度原则 1）C/os-II中创建任务最多可以有64个任务，因此，优先级别为64级，分别为0到63。2）各级优先级中，数字越小，其优先级越高3）高优先级的任务可以打断低优先级的任务 2、系统中任务数可以由用户进行修改，其修改方法是： 对OS_CFG.H中的OS_LOWEST_PRIO进行重新赋值。3、系统中任务总数不能超过OS_LOWEST_PRIO+14、在系统中，其系统会自动将优先级值为OS_LOWEST_PRIO的任务自动赋给空闲任务，OS_LOWEST_PRIO-1赋给统计任务，故用户只能使用0到OS_LOWEST_PRIO-25、任务的优先级由用户在创建任务时显示的给相关任务。3.2 任务堆栈3.2.1 任务堆栈的创建 1、堆栈数据类型 1）C/os-II系统在OS_CPU.H中专门定义了一个数据类型 OS_STK typedef unsigned int OS_STK; 2)用户堆栈区的定义 #define TASK_STK_SIZE 512 OS_STK TaskStkTASK_STK_SIZE; 3)任务创建原型函数 INT8U OSTtaskCreate( void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT8U prio );注意：堆栈的增长方向不同，则初始化的方法不同，注意区别，详见P503.2.2 任务堆栈的初始化1、任务堆栈初始化的意义： 1）将私有数据存放在堆栈中 2）将系统启动该任务所需要的CPU各寄存器的初始数据事先放入堆栈2、任务堆栈初始化实现原型函数OS_STK *OSTaskStkInit( void (*task)(void *pd), void *pdato, OS_STK *ptos, INT16U opt );3.3 任务控制块及其链表1、任务控制块：用来记录任务堆栈指针、任务的当前状态、任务的优先级等一些与任务管理有关的属性的表3.3.1 任务控制块结构1、任务控制块是由OSTtaskCreate（）函数创建任务时对任务控制块的所有成员赋予与该任务相关的数据，并驻留在RAM中2、任务控制块结构的定义：typedef struct os_tcbOS_STK *OSTCBStkPtr; /是指向当前任务栈顶的指针#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN /有用户扩展时void *OSTCBExtPtr; /指向用户定义的任务控制块扩展指针OS_STK *OSTCBStkBottom; /指向任务栈底的指针INT32U OSTCBStkSize; /任务堆栈长度INT16U OSTCBOpt; /创建任务的选择项INT16U OSTCBId;/ 存储任务的识别码#endifstruct os_tcb *OSTCBNext;struct os_tcb *OSTCBPrev;#if (OS_Q_EN & (OS_MAX_QS = 2) | OS_MBOX_EN | OS_SEM_ENOS_EVENT *OSTCBEventPtr;#endif#if (OS_Q_EN & (OS_MAX_QS = 2) | OS_MBOX_EN3-5void *OSTCBMsg;#endifINT16U OSTCBDly;INT8U OSTCBStat;INT8U OSTCBPrio;INT8U OSTCBX;INT8U OSTCBY;INT8U OSTCBBitX;INT8U OSTCBBitY;#if OS_TASK_DEL_ENBOOLEAN OSTCBDelReq; /于表示该任务是否需要删除#endif OS_TCB; 注释：1）.OSTCBExtPtr： 只在函数OstaskCreateExt()中使用，故使用时要将OS_TASK_CREAT_EN 设为1，以允许建立任务函数的扩展.OSTCBStkBottom：函数OSTaskStkChk()要用到变量OSTCBStkBottom，在运行中检验栈空间的使用情况。用户可以用它来确定任务实际需要的栈空间。这个功能只有当用户在任务建立时允许使用OSTaskCreateExt() 函数时才能实现。这就要求用户将OS_TASK_CREATE_EXT_EN 设为1，以便允许该功能。2）.OSTCBStkSize 存有栈中可容纳的指针元数目而不是用字节（Byte）表示的栈容量总数。在函数OSStakChk()中要调用OSTCBStkSize。同理，若使用该函数的话，要将OS_TASK_CREAT_EXT_EN 设为1。3）.OSTCBOpt 把“选择项”传给OSTaskCreateExt()，只有在用户将OS_TASK_CREATE_EXT_EN设为1 时，这个变量才有效。C/OS-目前只支持3 个选择项（见uCOS_II.H）：3-6OS_TASK_OTP_STK_CHK, OS_TASK_OPT_STK_CLR 和OS_TASK_OPT_SAVE_FP。OS_TASK_OTP_STK_CHK 用于告知TaskCreateExt()，在任务建立的时候任务栈检验功能得到了允许。OS_TASK_OPT_STK_CLR 表示任务建立的时候任务栈要清零。只有在用户需要有栈检验功能时，才需要将栈清零。如果不定义OS_TASK_OPT_STK_CLR，而后又建立、删除了任务，栈检验功能报告的栈使用情况将是错误的。如果任务一旦建立就决不会被删除，而用户初始化时，已将RAM 清过零，则OS_TASK_OPT_STK_CLR 不需要再定义，这可以节约程序执行时间。传递了OS_