uCOS嵌入式开发.ppt

1、1,What is uC/OS?,u: Micro C:control uC/OS : 适合于小的、控制器的操作系统 小巧 公开源代码，详细的注解 可剥夺实时内核 可移植性强 多任务 确定性,2,The Story of uC/OS,美国人Jean Labrosse 1992年编写的 商业软件的昂贵 应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等 www.uCOS-II.com,COS不但提供了一个完整的嵌入式实时内核的源代码，而且对这些代码的细节作了详尽的解释，它不仅告诉读者这个实时内核是怎么写的，还解释了为什么要这样写。而商业上的实时操作系统

2、软件不但价格昂贵（一般都在5千到2万美元的价位上），而且其中很多都是所谓黑盒子，即不提供源代码。 l 源代码的绝大部分是用C语言写的，经过简单的编译，读者就能在PC机上运行，边读书、边实践。由于用汇编语言写的部分只有200行左右，该实时内核可以方便地移植到几乎所有的嵌入式应用类CPU上。移植范例的源代码可以从因特网上下载。 l 从最老版本的实时内核COS，以及后来的C/OS，到新版本的C/OS-II，已经有多年的历史。许多行业上都有成功应用该实时源代码.实时内核移植.内核实时内核的实例，这些应用的实践是该内核实用性、无误性的最好证据。,3,4,5,概要,内核结构-任务以及调度机制 任务间通信

3、uC/OS的移植 在PC机上运行uC/OS,6,任务task,典型的一个无限循环。 void mytask(void *pdata) for (;) do something; waiting; do something; 支持64个任务，每个任务一个特定的优先级。优先级越高，数字越小 系统占用了两个任务，空闲任务和统计任务。,任务优先级,每个任务按其重要性被赋予一定的优先级。C/OS-可以管理多达64个任务，但目前版本的C/OS-有两个任务已经被系统占用了。作者保留了优先级为0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRI0-2，OS_LOWEST_PRI0-1以

4、及OS_LOWEST_PRI0这8个任务以被将来使用。OS_LOWEST_PRI0是作为定义的常数在OS_CFG.H文件中用定义常数语句#define constant定义的。因此用户可以有多达56个应用任务。必须给每个任务赋以不同的优先级，优先级可以从0到OS_LOWEST_PR10-2。优先级号越低，任务的优先级越高。C/OS-总是运行进入就绪态的优先级最高的任务。目前版本的C/OS-中，任务的优先级号就是任务编号（ID）。优先级号（或任务的ID号）也被一些内核服务函数调用，如改变优先级函数OSTaskChangePrio()，以及任务删除函数OSTaskDel()。,7,任务状态,休眠态

5、(dormant)：指任务驻留在程序空间中，还没有交给内核管理。把任务交给内核是通过调用OSTaskCreate( )或OSTaskCreatExt( )实现的。 就绪(Ready)：当任务一旦建立，这个任务就处于就绪态准备运行。任务可以动态的被另一个程序建立，也可以在系统运行开始之前建立。如果一个任务是被另一个任务建立的，而这个任务的优先级高于建立它的那个任务，则这个刚刚建立的任务将立即得到CPU的控制权。通过调用OSTaskDel( )使任务返回到休眠态。就绪态的任务都放在就绪列表中。在任务调度时，指针OSTCBHighRdy指向优先级最高的就绪任务，也就是立刻就要运行的任务。,8,运行(

6、Running)：准备就绪的最高优先级的任务获得CPU的控制权，从而处于运行态。指针OSTCBCur指向正在运行的任务。 等待或挂起(Pending)：正在运行的任务由于调用延时函数OSTimeDly( )或等待事件信号量的来临而将自身挂起，因而处于等待或挂起态。因为等待某事件而被挂起的任务注册在该事件的等待列表中。 中断态(Interrupt)：正在运行的任务可以被中断，除非是该任务将中断关闭。被中断的任务进入中断服务程序(ISR)。如果中断服务程序使一个更高优先级的任务准备就绪，则中断服务程序结束后，更高优先级的任务开始运行程序。,9,10,任务堆栈,在C/OS-中，每个任务都有自己的堆栈

7、空间。为方便使用，在C/OS-中专门定义了一个OS_STK类型的数据，这样在应用程序中定义任务的堆栈就非常方便。例如： 程序 85 #define TASK_STK_SIZE 200 OS_STK TaskStartStkTASK_STK_SIZE;,11,12,任务的数据结构任务控制块,任务控制块 OS_tcb，包括 任务堆栈指针，状态，优先级，任务表位置，任务链表指针等。 所有的任务控制块分为两条链表，空闲链表和使用链表。,13,任务控制块结构,Struct os_tcb OS_STK *OSTCBStkPtr; struct os_tcb *OSTCBNext; struct os_tc

8、b *OSTCBprev; OS_EVENT *OSTCBEventPtr; void *OSTCBMsg; INT16U OSTCBDly; INT8U OSTCBStat; INT8U OSTCBPrio; INT8U OSTCBX, OSTCBY, OSTCBBitX, OSTCBBitY; OS_TCB,OSTCBStkPtr是指向当前任务栈顶的指针。C/OS-允许每个任务有自己的栈，尤为重要的是，每个任务的栈的容量可以是任意的。有些商业内核要求所有任务栈的容量都一样，除非用户写一个复杂的接口函数来改变之。这种限制浪费了RAM，当各任务需要的栈空间不同时，也得按任务中预期栈容量需求最多

9、的来分配栈空间。OSTCBStkPtr是OS_TCB数据结构中唯一的一个能用汇编语言来处置的变量（在任务切换段的代码Context-switching code之中），把OSTCBStkPtr放在数据结构的最前面，使得从汇编语言中处理这个变量时较为容易。,14,.OSTCBNext和.OSTCBPrev用于任务控制块OS_TCBs的双重链接，该链表在时钟节拍函数OSTimeTick()中使用，用于刷新各个任务的任务延迟变量.OSTCBDly，每个任务的任务控制块OS_TCB在任务建立的时候被链接到链表中，在任务删除的时候从链表中被删除。双重连接的链表使得任一成员都能被快速插入或删除。,15,O

10、STCBEventPtr是指向事件控制块的指针，后面的章节中会有所描述（见8.9 任务的同步和通信）。 .OSTCBMsg是指向传给任务的消息的指针。用法将在后面的章节中提到（见8.9 任务的同步和通信）。 .OSTCBDly当需要把任务延时若干时钟节拍时要用到这个变量，或者需要把任务挂起一段时间以等待某事件的发生，这种等待是有超时限制的。在这种情况下，这个变量保存的是任务允许等待事件发生的最多时钟节拍数。如果这个变量为0，表示任务不延时，或者表示等待事件发生的时间没有限制,16,OSTCBStat是任务的状态字。当.OSTCBStat为0，任务进入就绪态。可以给.OSTCBStat赋其它的值

11、，在文件uCOS_II.H中有关于这个值的描述。 .OSTCBPrio是任务优先级。高优先级任务的.OSTCBPrio值小。也就是说，这个值越小，任务的优先级越高。 .OSTCBX, .OSTCBY, .OSTCBBitX和 .OSTCBBitY用于加速任务进入就绪态的过程或进入等待事件发生状态的过程（避免在运行中去计算这些值）。这些值是在任务建立时算好的，或者是在改变任务优先级时算出的。 .OSTCBDelReq是一个布尔量，用于表示该任务是否需要删除。,17,18,任务的调度-OSSched,uC/OS是占先式实时多任务内核，优先级最高的任务一旦准备就绪，则拥有CPU的所有权开始投入运行。

12、 uC/OS中不支持时间片轮转法，每个任务的优先级要求不一样且是唯一的，所以任务调度的工作就是：查找准备就绪的最高优先级的任务并进行上下文切换。,19,任务的调度,就绪任务表：用于存贮每个任务的就绪状态标志。由两个变量组成： OSRdyGrp：8位，每位表示一组（8个）任务中是否有就绪的任务。 OSRdyTbl：位图方式表示某个任务是否就绪。,20,就绪状态标志,Bit 0 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl0 is 1. Bit 1 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl1 is 1. Bit 2 i

13、n OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl2 is 1. Bit 3 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl3 is 1. Bit 4 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl4 is 1. Bit 5 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl5 is 1. Bit 6 in OSRdyGrp is 1 when any bit in OSRdyTbl6 is 1. Bit 7 in OSRdyGrp is 1 when any

14、bit in OSRdyTbl7 is 1.,21,根据优先级找到任务在就绪任务表中的位置,22,根据优先级确定就绪表,假设优先级为12的任务进入就绪状态，12=1 100b,则OSRdyTbl1的第4位置1，且OSRdyGrp的第1位置1，相应的数学表达式为: OSRdyGrp |=0 x02； OSRdyTbl1 |=0 x10; 而优先级为21的任务就绪21=10 101b，则OSRdyTbl2的第5位置1，且OSRdyGrp的第2位置1,相应的数学表达式为： OSRdyGrp |=0 x04； OSRdyTbl2 |=0 x20;,23,根据优先级确定就绪表,从上面的计算我们可以得到:

15、若第n位置1，则应该与2n 相或。uC/OS中，把2n的n=0-7的8个值 先计算好存在数组OSMapTbl7中,也就是： OSMapTbl0 =20=0 x1; OSMapTbl1 =21=0 x2; OSMapTbl7 =27=0 x80;,24,根据优先级确定就绪表,利用OSMapTbl，通过任务的识别号-优先级prio来设置任务在就绪组和就绪表数组中相应位置的数学式为： OSRdyGrp |=OSMapTblprio3; OSRdyTblprio3 |=OSMapTblprio ,25,根据就绪表确定最高优先级（1）,两个关键: 优先级数分解为高三位和低三位分别确定； 高优先级有着小的

16、优先级号 ；,26,根据就绪表确定最高优先级（2）,通过OSRdyGrp值确定高3位，假设为0 x24=100 100b, - OSRdyTbl2 和OSRdyTbl5，高优先级为2 通过OSRdyTbl2的值来确定低3位， 假设为0 x12=010 010b ，-第2个和第5个任务，取高优先级第2个 -17,27,源代码中使用了查表法,查表法具有确定的时间，增加了系统的可预测性，uC/OS中所有的系统调用时间都是确定的 High3 =OSUnMapTblOSRdyGrp; Low3 =OSUnMapTblOSRdyTblHigh3; Prio =(Hign33)+Low3; ？为什么频繁的使

17、用查表法 ？请问OSUnMapTbl的来历；,28,INT8U const OSUnMapTbl = 0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1,

18、0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1,

19、0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0 ;,任务调度核心之任务切换宏OS_TASK_SW(),任务切换很简单，简单说就是终止正在运行的任务，然后去运行另外一个任务，这由以下两步完成，将被挂起任务的微处理器

20、寄存器推入堆栈，然后将较高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器中。在C/OS-中，就绪任务的栈结构总是看起来跟刚刚发生过中断一样，所有微处理器的寄存器都保存在栈中。换句话说，C/OS-运行就绪态的任务所要做的一切，只是恢复所有的CPU寄存器并运行中断返回指令。为了做任务切换，运行OS_TASK_SW()，人为模仿了一次中断。多数微处理器有软中断指令SWI或者陷阱指令TRAP来实现上述操作。中断服务子程序或陷阱处理（Trap hardler），也称作事故处理（exception handler），必须提供中断向量给汇编语言函数OSCtxSw()。OSCtxSw()除了需要OS_TCBHigh

21、Rdy指向即将被挂起的任务，还需要让当前任务控制块OSTCBCur指向即将被挂起的任务,29,30,任务间通信手段,提供OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL来对临界资源进行保护 OSSchedLock( )禁止调度保护任务级的共享资源。 提供了经典操作系统任务间通信方法：信号量、邮箱、消息队列，事件标志。,31,信号量semaphore,uC/OS中信号量由两部分组成：信号量的计数值和等待该信号任务的等待任务表。信号量的计数值可以为二进制, 也可以是其他整数。 系统通过OSSemPend( )和OSSemPost( )来支持信号量的两种原子操作P()和V()。P

22、()操作减少信号量的值，如果新的信号量的值不大于0,则操作阻塞；V()操作增加信号量的值。,32,中断与时钟节拍,我们知道：当发生中断时，首先应保护现场，将CPU寄存器入栈，再处理中断函数，然后恢复现场，将CPU寄存器出栈，最后执行中断返回iret(x86)指令实现中断返回。 uC/OS中提供了OSIntEnter() 和OSIntExit() 告诉内核进入了中断状态。OSIntNesting 时钟节拍是一种特殊的中断，操作系统的心脏。首先32位的整数OSTime加一。对任务列表进行扫描，判断是否有延时任务应该处于准备就绪状态，最后进行上下文切换。,33,多任务的启动,首先创建任务 最后调用O

23、SStart开始多任务调度 void main( ) OSInit( ); . OSTaskcreat( ) . OSStart(); ,34,任务的格式,每个任务不能占用全部CPU的资源 需要有等待，或延时等系统调用 典型的一个无限循环。 void mytask(void *pdata) for (;) do something; waiting; do something; ,35,揭开神秘的面纱任务调度全程追踪,For example1 创建2个任务，每个任务仅仅是进行延时，延时不同的时间片，不同优先级 void Task1(void) void Task2(void) while(1)

24、 while(1) blinkled1(); blinkled2(); Task1Data+; Task2Data+; OSTimeDly(25); OSTimeDly(50); ,36,void main() sysinit(); OSInit (); OSTaskCreate ( Task1, (void *) ,37,void OSStart (void) INT8U y, x; if (OSRunning = FALSE) 判断是否没有启动内核 y = OSUnMapTblOSRdyGrp; x = OSUnMapTblOSRdyTbly; OSPrioHighRdy = (INT8U

25、)(y 3) + x); 找到优先级最高的准备就绪任务 OSPrioCur = OSPrioHighRdy; 当前运行任务优先级 OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; 根据任务优先级找到任务 OSTCBCur = OSTCBHighRdy; OSStartHighRdy(); 让优先级最高的任务运行起来 ,38,voidOSStartHighRdy(void) OSTaskSwHook();/ Call Hook function asm ldxOSTCBCur/ Load the value in OSTCBCur or the TCBs add

26、ress to x lds0,x/ Load the value pointed by OSTCBCur to sp ldaaOSRunning inca/ OSRunning = 1 staaOSRunning pula staa$30/restore ppage from stack nop rti ,39,void OSTimeDly (INT16U ticks) if (ticks 0) 确保tick大于0 OS_ENTER_CRITICAL(); 进入临界段代码 if (OSRdyTblOSTCBCur-OSTCBY 调度下一个任务开始运行 ,40,void OSSched (voi

27、d) INT8U y; OS_ENTER_CRITICAL(); if (OSLockNesting | OSIntNesting) = 0) 调度锁，或者处于中断状态禁止调度 y = OSUnMapTblOSRdyGrp; OSPrioHighRdy = (INT8U)(y 3) + OSUnMapTblOSRdyTbly); 获取准备就绪组里最高优先级的任务 if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; 设置运行任务为最高优先级任务 OSCtxSwCtr+; OS_TASK_SW(); 执行上下文切换 OS_EXIT_CRITICAL(); ,41,OS_TASK_SW 任务的上下文切换,保护当前任务的现场 恢复新任务的现场 执行中断返回指令 开始执行新的任务,42,什么也不做的空闲任务,只是为了消耗CPU的时间片 void OSTaskIdle ( ) for (;) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIdleCtr+; OS_EXIT_CRITICAL(); ,43,void OSTimeTick (void) OS_TCB *ptcb; ptcb = OSTCBList; -OSTCB链表指针 while (ptcb-OSTCBPrio !=