嵌入式实时操作系统概要设计说明书

分 类：软件项目设计 使用者：E-fanciers 概要设计说明书概要设计说明书 Version: 1.0 项 目 承 担 队伍：烟台大学 计算机学院 E-fanciers 小组 撰 写 人（签名）： 孝瑞 完 成 日 期： 2009-7-16 本文档使用小组： E-fanciers 小组 评审负责人（签名）： 孝瑞 评 审 日 期： 2009-8-19 目目 录录 一、引言一、引言 .4 4 1.11.1 编写目的编写目的 .4 4 1.21.2 项目背景项目背景 .4 4 1.31.3 定义定义 .4 4 1.41.4 参考资料：参考资料： .5 5 二、任务概述二、任务概述 .5 5 2.12.1 目标目标 .5 5 2.22.2 运行环境运行环境 .6 6 2.32.3 需求概述需求概述.6.6 2.42.4 条件与限制条件与限制 .6 6 三、总体设计三、总体设计 .6 6 3.13.1 处理流程处理流程 .6 6 3.23.2 总体结构和模块外部设计总体结构和模块外部设计 .6 6 3.3.3.3. 功能分配功能分配.7 7 四、四、接口设计接口设计 .7 7 4.14.1 外部接口外部接口 .7 7 4.24.2 内部接口内部接口 .7 7 五、数据结构设计五、数据结构设计 .8 8 5.15.1 逻辑结构设计逻辑结构设计.8.8 5.25.2 物理结构设计物理结构设计.8.8 5.25.2 物理结构设计物理结构设计.8.8 六、运行设计六、运行设计 .8 8 6.16.1 运行模块的组合运行模块的组合.8.8 6.26.2 运行控制运行控制.8.8 6.36.3 运行时间运行时间.8.8 七、出错处理设计七、出错处理设计 .9 9 八、安全保密设计八、安全保密设计 .9 9 九、维护设计九、维护设计 .9 9 概要设计说明书概要设计说明书 （ArchitecturalArchitectural DesignDesign SpecificationSpecification） 一引言 1编写目的 MyRTOS 是 E-fanciers 小组通过开源的微型操作系统 ucos-ii 开发的嵌入式实时操 作系统，目标板选用周立功 ARMLPC2138+JLINK 调试头,开发环境选用 RealView 公司 的 MDK. MyRTOS 的设计采用 ucos-ii 的设计思想,并在其基础上进行了扩展和创新.尤其设计 解决了优先级反转问题和同级时间片轮询调度机制. 2项目背景 嵌入式实时操作系统是 09 年山东省齐鲁软件大赛新增的题目,本题目迎合了目前非常 热门的嵌入式产业的人才需求,让学生了解嵌入式开发的方方面面.并逐渐进入嵌入式开发 的领域. E-fanciers 小组经过分析本次大赛的题目，最后决定选择这个具有挑战性的题目.后 来经过学习和陈老师的指导,认识到选择此题目的必要性：目前市场上有很多嵌入式产品, 嵌入式实时操作系统也是层出不穷,如何开发出一个功能完善、而又高效的嵌入式实时操作 系统成为一大热点课题. 3定义 3.1 嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统（Embedded Real Time OS，简称 RTOS）是嵌入式系统应用开 发的核心软件，是嵌入式系统的灵魂，就像我们日常所用计算机桌面系统中，微软公司的 Windows 操作系统一样重要。市场上有很多著名的商业化嵌入式操作系统，如 VxWorks、Pam OS、Windows CE、嵌入式 Linux 和 C/OS-II 等上千种 RTOS。 3.2 临界区 和其它内核一样，MyRtos 为了处理临界段代码需要关中断，处理完毕后再开中断。这 使得 MyRtos 能够避免同时有其它任务或中断服务进入临界段代码。关中断的时间是实时 内核开发商应提供的最重要的指标之一，因为这个指标影响用户系统对实时事件的响应性。 MyRtos 努力使关中断时间降至最短，但就使用 MyRtos 而言，关中断的时间很大程度上取 决于微处理器的架构以及编译器所生成的代码质量。 3.3 任务 一个任务通常是一个无限的循环。一个任务看起来像其它 C 的函数一样，有函数返回 类型，有形式参数变量，返回任务编号. 3.4 任务调度 确定哪个任务优先级最高，下面该哪个任务运行了的工作是由调度器（Scheduer）完 成的。 3.5 空闲任务 系统的空闲任务 OS_TaskIdle()，MyRtos 总是建立一个空闲任务，这个任务在没有其 它任务进入就绪态时投入运行。这个空闲任务永远设为最低优先级，即 OS_LOWEST_PRI0。空闲任务 OS_TaskIdle ()什么也不做，只是在不停地给一个 32 位的名 叫 OSIdeCtr 的计数器加 1，注意空闲任务不可能被应用软件删除。属于系统服务. 3.6 统计任务 统计任务用来根据计数器的值计算 cpu 利用率，属于系统服务. 3.7 任务管理 对任务进行的操作,包括任务创建、删除、阻塞睡眠、挂起、恢复等操作。属于内核部 分。 3.8 任务堆栈 每个任务都有自己的堆栈空间。堆栈必须声明为 OS_STK 类型，并且由连续的内存 空间组成。用户可以静态分配堆栈空间(在编译的时候分配)也可以动态地分配堆栈空间(在 运行的时候分配)。 3.9 优先级 在用户建立任务的时候会分配给任务一个优先级。优先级决定了任务的运行次序和调 度次序。 3.10 互斥信号量 使用互斥信号量进行任务间通信，避免了优先级反转问题的发生。互斥信号量的操 作包括：创建互斥信号量、等待信号量、发送信号量. 3.11 Shell Shell 是用来进行人机交互的界面。供操作系统的用户对系统进行操作.用户可以通 过 Shell 查看任务运行情况、可以挂起、恢复任务，查看信号量的使用情况等操作. 4参考资料（列出这些资料的作者、标题、编号、发表日期、出版单位或资料来源，可包括： 编号 名称作者/来源 （1）项目开发计划；E-fanciers （2）需求规格说明书； E-fanciers （3）测试计划（初稿）；E-fanciers （4）用户操作手册（初稿）； E-fanciers （5） ucos-ii 中文版 （6） 自己动手做操作系统 二任务概述 1目标: 实现大赛要求的基本功能，并着手实现一些扩展功能 2运行环境 实验板：lpc2138 调试头:JLINK 开发环境:RealView MDk3.5 3需求概述 本赛题要求完成一个小型微内核嵌入式实时操作系统的设计和实现。 需提交实际可运 行代码，并在参考硬件平台上演示功能。软件实现过程应遵循敏捷性方法的指导，注意代 码和文档的质量和版本控制，编写测试用例验证软件功能和重构代码。 4条件与限制 1.参考硬件平台为：周立功 EasyArm2138。实际上，也可用其他 LPC 系列 CPU 和实 验板，只要 CPU 有足够的 RAM、Flash 存储器和一个串口扩展就可以了。但与 LPC2138 区别越小越好，最终的验证都统一在 LPC2138 上进行。 2.硬件抽象层的接口遵循 uc/OS 的接口规范。这样现存的大量的 uC/OS 硬件抽象层 可为新操作系统提供服务，减少移植工作量。硬件抽象层可以直接借用 uC/OS 的 代码，但最好自己实现，只是接口兼容。 3.操作系统的调用采用函数调用方式，不用中断陷入方式； 4.将各任务栈独立，作为任务的私有存储区； 5.同时支持任务数不小于 255 个。空闲任务占用编号 0。 6.同级任务的轮询时间片大小可以调节，单位为 10 毫秒(称为 tick)。 7.串口接口参数：波特率 9600，8 位数据，1 位停止，无硬件流控制。 8.任务优先级不小于 255 级，最高优先级为 0，最低优先级为 255。空闲任务优先级 为 255。 9.操作系统的应用接口的应遵循题目的规范，见后面的描述。 10. 对于代码移植性验证，参赛者可自行选择硬件平台。该硬件平台与 LPC2138 或 ARM 之间的区别越大越好。 三总体设计 1处理流程 设计和实现一个小型微内核嵌入式实时操作系统, 硬件抽象层的接口遵循 uc/OS 的接口 规范。操作系统的调用采用函数调用方式，不用中断陷入方式，同时支持任务数不小于 255 个。空闲任务占用编号 0。同级任务的调度采用时间片轮询的方式，不同优先级任务采 用按优先计调度的方式，及时对请求的任务进行处理。 2总体结构和模块外部设计 1.任务管理模块 对任务进行的操作,包括任务创建、删除、阻塞睡眠、挂起、恢复等操作。属于内核部 分。 2.任务堆栈模块 每个任务都有自己的堆栈空间。堆栈必须声明为 OS_STK 类型，并且由连续的内存 空间组成。用户可以静态分配堆栈空间(在编译的时候分配)也可以动态地分配堆栈空间(在 运行的时候分配)。 3.优先级模块 在用户建立任务的时候会分配给任务一个优先级。优先级决定了任务的运行次序和调 度次序。 4.互斥信号量模块 使用互斥信号量进行任务间通信，避免了优先级反转问题的发生。互斥信号量的操 作包括：创建互斥信号量、等待信号量、发送信号量. 5. Shell Shell 是用来进行人机交互的界面。供操作系统的用户对系统进行操作.用户可以通 过 Shell 查看任务运行情况、可以挂起、恢复任务，查看信号量的使用情况等操作. 3功能分配（表明各项功能与程序结构的关系。） 各个模块既是相互独立的又是互相关联的，各个模块的互相调用配合共同使得系统得 以稳定的工作。 四接口设计 1外部接口 遵循 uc/OS 的底层接口规范，参考代码文件 OS_CPU.H, OS_CPU_A.C, OS_CPU_A.S 2内部接口 内部各模块间设计容易访问的接口。 下面为 os.h 头文件内容, 该文件为对外应用接口说明文件。若需使用操作系统服务， 需引用该文件。列出为基本部分，参赛者必须遵循，根据需要可扩展。 /*初始化操作系统，建立多任务环境. 该函数调用后，其他系统调用则可用*/ /*返回: 0: 成功, -1: 失败. 后面返回无说明则同*/ int taskInit(void); /*创建一个任务*/ /*返回: 返回任务编号 tid, 0: 成功, 其他: 失败.*/ /*name: 任务名称, entryPtr : 任务函数入口, stack_size: 任务栈大小, priority: 任务优先级 */ int taskCreate(char *name, void *entryPtr, int stack_size, int priority); /*启动一个任务, 让 taskCreat 创建的任务参加调度*/ /*tid: 任务编号, 由 taskCreate 返回*/ int taskStart(unsigned char tid); /*获取和设置任务优先级, 用于动态调整*/ int taskPriorityGet(unsigned char tid); int taskPrioritySet(unsigned char tid, int newPriority); /*将任务挂起, 该任务退出调度*/ int taskSuspend(unsigned char tid); /*将任务删除 该任务退出调度且回收任务分配的资源*/ int taskDelete(unsigned char tid); /*互斥信号量创建, 返回信号量标识 sid, 0: 失败*/ int semCreate(void); /*互斥信号量获取和释放*/ int semTake(int sid); int semGive(int sid); /*任务睡眠(非忙等), 由任务自己调用, 主动阻塞一段时间. 时间单位为 tick, 即 10 毫秒*/ int taskSleep(int ticks); 五数据结构设计 1 逻辑结构设计 1.1 任务状态 任务共有五种状态,在任一给定的时刻，任务的状态一定是在这五种状态之一. 1.2 任务控制块 一旦任务建立了，任务控制块将被赋值。任务控制块是一个数据结构，当任务的 CPU 使用 权被剥夺时，系统用它来保存该任务的状态。当任务重新得到 CPU 使用权时，任务控制块 能确保任务从当时被中断的那一点丝毫不差地继续执行。控制块全部驻留在 RAM 中。读者 将会注意到笔者在组织这个数据结构时，考虑到了各成员的逻辑分组。任务建立的时候， 控制块就被初始化了 2 物理结构设计 硬件抽象层的建立,遵循 ucos-ii 的规范. 3 数据结构与程序的关系 就绪队列使用链表数据结构,查找最高优先级任务时遍历链表查询. 六运行设计 1运行模块的组合 各模块互相配合共同完成对任务的实时调度。 2运行控制 通过 Shell 来控制任务的运行,可以对任务进行挂起、恢复、运行、删除等操作。 3运行时间 通过以时钟心跳 tick 为单位对