UCOS移植性分析與應用

1、. . . . 1緒論1.1 背景概要在計算機技術和信息技術高速發(fā)展的今天，計算機和計算機技術，大量應用于人們的日常生活中。其中，以計算機主機嵌入于應用系統(tǒng)或設備之中為特征的嵌入式應用更是令人矚目。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中，包括家用電器、手持通訊設備、信息終端、儀器儀表、汽車、航空航天、軍事、制造工業(yè)、過程控制等領域。嵌入式系統(tǒng)具有便利靈活、性能價格比高、嵌入性強等特點，可以嵌入到現(xiàn)有任何家電和工業(yè)控制系統(tǒng)中。從軟件角度來看，嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)所需配置要求較低、系統(tǒng)專業(yè)性和實時性較強等特點。隨著嵌入式技術的蓬勃發(fā)展，計算機工業(yè)也正邁入一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的階段后PC時代。后PC

2、時代是一個真實的階段，而且是一個可以預測的時代。 uC/OS-II是由美國人Jean J.Labrosse編寫的一個公開源代碼的，微核嵌入式實時操作系統(tǒng)，其實時性能和核的健壯性早已經(jīng)在大量的實際應用中得到了證實。程序開發(fā)人員可以改寫源代碼，使之符合自己的要求。裁減掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活，并且能滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。uC/OS對于學校研究完全免費，只有在應用于盈利項目時才需要支付少量的費，特別適合一般使用者的學習、研究和開發(fā)1。1.2研究平臺與開發(fā)環(huán)境本論文基于源代碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II。使用的主機是PC機，運行的操作系統(tǒng)是Windows XP，使用的

3、開發(fā)環(huán)境是Borland C/C+ V3.1。1.3 論文的組織結構論文共分六章，其組織結構為：第一章是緒言。主要講述了本題目的背景。第二章是嵌入式實時操作系統(tǒng)綜述。此章對嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展做了回顧，然后概要的分析闡述了嵌入式系統(tǒng)的硬件部分的特點，嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點和因為它的出現(xiàn)，給嵌入式系統(tǒng)開發(fā)帶來的巨大變化。第三章是實時操作系統(tǒng)uC/OS-II的分析。本章對uC/OS-II的各個模塊以與移植性進行了系統(tǒng)的分析。第四章是uC/OS-II移植的應用。在這一章里，詳細闡述了將uC/OS-II移植到PC機上的具體步驟。第五章是uC/OS-II的測試程序。通過一個例子，測試所移植的uC/OS-I

4、I能夠正常工作，并且反映出操作系統(tǒng)的多任務調(diào)度、任務切換等。第六章是結束語，對整篇論文進行了簡短總結，并提出了進一步的改進設想。2 嵌入式實時操作系統(tǒng)綜述2.1 嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展早在20世紀60年代后期，通信領域里就出現(xiàn)了“存儲程序控制”系統(tǒng)，這是早期的嵌入式系統(tǒng)。這時的計算機是面向具體應用定做的，它們是一些專用指令的引擎以與與之集成在一起的I/O設備。軟件是由存儲在存的程序和路由信息組成。隨著微處理器的出現(xiàn)，硬件體系結構引入了總線概念，不同外設可掛接在一起。與此同時，軟件也得到了發(fā)展，70年代中期開始采用軟件模塊和標準庫的編程思想。20世紀70年代后期，專用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)開始出

5、現(xiàn)，當時大部分是用匯編語言寫的，僅能用于特定的微處理器。當新的處理器出現(xiàn)，則必須為之重新寫一遍。直到C語言出現(xiàn)后，嵌入式操作系統(tǒng)才可以用一種高效、穩(wěn)定和可移植的方式來開發(fā)。20世紀80年代，嵌入式商業(yè)操作系統(tǒng)開始得到蓬勃發(fā)展。如今已有幾十種商業(yè)操作系統(tǒng)可供選擇，出現(xiàn)了許多相互競爭的產(chǎn)品，如Vxworks,Psos,Neculeus、Windows CE、和各種嵌入式Linux等。近年來，嵌入式軟件涉與的面也愈發(fā)擴大。它不僅包括嵌入式操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，還包括一系列支撐軟件，如數(shù)據(jù)庫、調(diào)試軟件、網(wǎng)絡通訊協(xié)議、用戶界面系統(tǒng)等，當然也包括各種應用軟件。隨著信息技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)具有了新的涵，

6、同時萌生了許多形態(tài)各異的接入設備，如手持電腦、可上網(wǎng)的無線移動手機、機頂盒、家庭網(wǎng)關、可上網(wǎng)的電視機、可上網(wǎng)的車載盒、智能家用電器等。相應的對嵌入式軟件也提出了與最初不同的要求2。2.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)嵌入式實時操作系統(tǒng)并不是簡單嵌入的操作系統(tǒng)，它與通用操作系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別。嵌入式實時操作系統(tǒng)必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。與通用的操作系統(tǒng)相比，嵌入式實時操作系統(tǒng)具有如下一些特征：1.體積小。嵌入式系統(tǒng)所能提供的資源有限，尤其是存資源，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到小巧以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。2.實時性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)工作在實時性要求很高的環(huán)境中，這就

7、要求嵌入式操作系統(tǒng)必須將實時性作為一個重要的方面來考慮。3.可裝卸。由于嵌入式系統(tǒng)需要根據(jù)應用的要求進行裝卸，所以嵌入式操作系統(tǒng)也必須能夠根據(jù)應用的要求進行裝卸，去掉多余的部分。4.固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中使用很少，因此，嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，取而代之的是各種存文件系統(tǒng)。5.弱交互性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的工作過程不需要人的干預。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務。6.強穩(wěn)定性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要人過多的干預。在這種條件下，要求

8、負責系統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。7.統(tǒng)一的接口。隨著各種各樣的嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們有必要為嵌入式系統(tǒng)提供的接口進行約定，從而為嵌入式應用軟件的設計者提供統(tǒng)一的服務接口，為嵌入式應用軟件的運行提供平臺的無關性。在中國，嵌入式操作系統(tǒng)可分為兩大類型：一類是自主的操作系統(tǒng)，另一類是基于Linux的操作系統(tǒng)。自主的操作系統(tǒng)方面，國有“女蝸Hopen”操作系統(tǒng)和DeltaOS操作系統(tǒng)等3。2.3 嵌入式系統(tǒng)的硬件特征嵌入式計算機系統(tǒng)的硬件同通用計算機相比具有以下特點：1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的。嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，

9、它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，移植能力大大增強，與網(wǎng)絡的結合也越來越緊密。2.嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。3.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。4.嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，

10、具有較長的生命周期。5.為了提高系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片（外接或CPU置）中，而不是存貯于磁盤等載體中。6.嵌入式系統(tǒng)本身不具備直接開發(fā)能力，即設計完成以后用戶通常是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)3。2.4 接入網(wǎng)絡的嵌入式系統(tǒng)在自動化工業(yè)領域，有成千上萬的感應器，檢測器，PLC，讀卡器，或其他設備，互相連接形成一個控制網(wǎng)絡，作為信息系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的工具。而最常用來連接這些設備的通信界面就是RS-232和RS-422/485總線。近幾年來，以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡架構己逐漸在自動化產(chǎn)業(yè)被廣泛的采用，取代傳統(tǒng)的串口通信而成為自動化系統(tǒng)通

11、信的主流。在這種趨勢下，以TCP/IP和以太網(wǎng)為代表成熟度較高的開放式網(wǎng)絡技術，正逐漸地被應用在各個自動化系統(tǒng)，連接并控制所有的設備。嵌入式產(chǎn)品將與互聯(lián)網(wǎng)應用相互促進，快速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品將成為互聯(lián)網(wǎng)的主要終端之一，網(wǎng)上將出現(xiàn)大量的服務于嵌入式產(chǎn)品的軟件，并有專門服務于嵌入式產(chǎn)品的容。對所有設備制造商和設備使用者而言，尋求一個經(jīng)濟、快速的解決方案，讓現(xiàn)有的設備可立即聯(lián)網(wǎng)使用，成為掌握競爭商機的重要課題4。3 實時操作系統(tǒng)uC/OS-II的分析實時操作系統(tǒng)uC/OS -II有如下特點：(1)公開源代碼，且源代碼中有詳細的注釋，源代碼清晰易讀且結構協(xié)調(diào)、組織有序，對實時操作系統(tǒng)的基本原理做了非常詳

12、細的解釋，實時核讓人一目了然，簡單易懂。(2)移植性好，絕大部分uC/OS的源代碼是用移植性很強的ANSI C編寫的，與微處理器件相關的部分是用匯編語言寫的，而且已經(jīng)壓縮到了最低程度，使得uC/OS-II便于移植到其它處理器上。(3)可裁剪，用戶可以根據(jù)自己的寄存器空間的大小和實際需要，只保留uC/OS-II中應用程序需要的那些系統(tǒng)服務，這樣可以大大減少產(chǎn)品中uC/OS-II所需要的存儲器空間(RAM/ROM)。這樣使得uC/OS-II適合中小系統(tǒng)，靈活應用。(4)穩(wěn)定性和可靠性高，抗干擾能力強5。3.1 uC/OS-II的核結構3.1.1 uC/OS-II的任務管理uC/OS-II的任務管理

13、包括如何在用戶的應用程序中建立任務、刪除任務、改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級、掛起和恢復任務，以與獲得有關任務的信息。uC/OS-II可以管理多達64個任務，每個任務一個優(yōu)先級，并從中保留了四個最高優(yōu)先級和四個最低優(yōu)先級的任務供自己使用，所以用戶可以使用的只有56個任務。任務的優(yōu)先級越高，其優(yōu)先級的值則越低，任務的優(yōu)先級也可作為任務的標識符使用。uC/OS-II提供的任務管理的各種函數(shù)調(diào)用，包括：創(chuàng)建任務：OSTaskCreate()或者是OSTaskCreateExt()；刪除任務：OSTaskDel()；改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級：OSTaskChangePrio()；掛起任務：OSTaskSuspend()；恢

14、復任務：OSTaskResunte()；獲得有關任務的信息：OSTaskQuery()；系統(tǒng)初始化時會自動產(chǎn)生兩個任務：一個是空閑任務OSTaskIdle()，它的優(yōu)先級最低，為OS_LOWEST_PRIO；另一個是統(tǒng)計任務OSTaskStat()，它的優(yōu)先級為OS_LOWEST_PRIO-1，該任務每秒運行一次，負責計算當前CPU的利用率。當所有任務都處于等待事件發(fā)生或者等待延遲時間結束的狀態(tài)時，uC/OS-II執(zhí)行空閑任務(idle task)，即執(zhí)行OSTaskIdle()函數(shù)。uC/OS-II任務調(diào)度按搶占式多任務系統(tǒng)設計的，即它總是執(zhí)行處于就緒條件上優(yōu)先級最高的任務。為了簡化系統(tǒng)的設

15、計，uC/OS-II規(guī)定所有任務的優(yōu)先級必須不同，任務的優(yōu)先級同時唯一的標識了該任務。系統(tǒng)通過兩種方法進行任務調(diào)度：一是時鐘節(jié)拍或其它硬件中斷到來，系統(tǒng)會調(diào)用函數(shù)OSIntCtxSw()執(zhí)行切換功能；二是任務主動進入掛起或等待狀態(tài)，這時系統(tǒng)通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成任務切換，中斷服務例程或陷阱處理程序的向量地址必須指向函數(shù)OSCtxSw()6。3.1.2 uC/OS-II的時間管理uC/OS-II（和其它核一樣）要求用戶提供定時中斷來實現(xiàn)延時與超時控制等功能這個定時中斷叫做時鐘節(jié)拍，它應該每秒發(fā)生10至100次。時鐘節(jié)拍的實際頻率是由用戶的應用程序決定的，時鐘節(jié)拍的頻率越高

16、，系統(tǒng)的負荷就越重。uC/OS-II提供了這樣一個系統(tǒng)服務，申請該服務的任務可以延時一段時間，這段時間的長短是用時鐘節(jié)拍的數(shù)目來確定的。實現(xiàn)這個系統(tǒng)服務的函數(shù)是OSTimeDly()。調(diào)用該函數(shù)會讓uC/OS-II進行一次任務調(diào)度，并執(zhí)行下一個優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務。任務調(diào)用OSTimeDly()后，一旦規(guī)定的時間期滿或者有其他的任務通過調(diào)用OSTimeDlyResume()取消了延時，它就會馬上進入就緒狀態(tài)。uC/OS-II支持的延時最長為65535個節(jié)拍，uC/OS-II允許用戶結束正處于延時期的任務。延時的任務可以不等待延時期滿，而是通過其他任務取消延時來使自己處于就緒態(tài)，可以通過調(diào)用O

17、STimeDlyResume()和指定要恢復的任務的優(yōu)先級來完成。3.1.3 uC/OS-II任務間的通信與同步對于一個多任務的操作系統(tǒng)來說，任務間的同步和通信是必不可少的。uC/OS-II提供了四種同步對象，分別是信號量、消息隊列和事件。通過和消息隊列還可以進行任務間的通信。一個任務或者中斷服務子程序可以通過事件控制塊(ECB,Event ControlBlock)來向另外的任務發(fā)信號。這里所有的信號都被看成是事件。一個任務可以等待另一個任務或中斷服務子程序給它發(fā)送信號。多個任務也可以等待同一個事件的發(fā)生，事件發(fā)生后，優(yōu)先級最高的任務得到該事件并進入就緒狀態(tài)，準備執(zhí)行。所有的同步對象都有相應

18、的創(chuàng)建、等待、發(fā)送的函數(shù).但這些對象一旦創(chuàng)建就不能刪除，所以要避免創(chuàng)建過多的同步對象以節(jié)約系統(tǒng)資源7。3.1.4 uC/OS-II的存管理存管理是操作系統(tǒng)的另一項重要功能。在uC/OS-II中，為了消除多次動態(tài)分配與釋放，uC/OS-II把連續(xù)的大塊存按分區(qū)來管理。每個分區(qū)中都包含有整數(shù)個大小一樣的存塊，但不同分區(qū)之間存塊的大小可以不同。用戶的應用程序可以從不同的存分區(qū)中得到不同大小的存塊。但是，特定的存塊在釋放時必須重新放回它以前所屬的存分區(qū)，通過這種方式，uC/OS-II解決了存碎片問題。為了便于存的管理，uC/OS-II使用存控制塊(memory control block)的數(shù)據(jù)結構來

19、跟蹤每一個存分區(qū)，系統(tǒng)中的每個存分區(qū)都有它自己的存控制塊。uC/OS-II也提供了創(chuàng)建存分區(qū)(OSMemCreate()、分配存塊(OSMemGet()、釋放存塊(OSMemPut()、查詢一個存分區(qū)狀態(tài)(OSMemQuery()等函數(shù)調(diào)用。3.2 uC/OS-II的程序結構uC/OS-II是完全嵌入于應用程序中的，以系統(tǒng)調(diào)用的形式向應用程序提供服務。對于應用程序，uC/OS-II提供一系列的函數(shù)調(diào)用，在編譯應用程序時要將uC/OS-II源文件一起編譯、，使得應用程序與uC/OS-II靜態(tài)在一起形成一個系統(tǒng)映象，這時可以稱這個映象為uC/OS-II，此時它己經(jīng)作為靜態(tài)庫到應用程序中去了。在完成

20、系統(tǒng)映象裝入存并且完成CPU寄存器的初始化后(詳情情參閱第四章第一、二節(jié))，會跳轉到函數(shù)main()開始執(zhí)行，在這里完成系統(tǒng)的初始化工作。示例代碼如下：void main(void)/清屏PC_DispClrScr();/向屏幕打印系統(tǒng)啟動信息PC_DispStr(0,0,Welcome to MicroC/OS-II on x86 in protected mode!,14);/初始化時鐘控制器、時鐘中斷控制器；OSCpuInit()/設置中斷描述符表，各核心數(shù)據(jù)結構初始化，包括任務調(diào)度初始化、/任務間通信初始化、存管理初始化、Idle任務和統(tǒng)計任務初始化；OSInit();OSTimerI

21、nit();/創(chuàng)建用戶任務OSTaskCreate(lwip_init_task,(void*)0,&lwip_tsk_stkTASK_STK_SIZE-1,5);/LWIP TASK/調(diào)度最高優(yōu)先級任務開始運行OSStart();3.2.1 向屏幕打印提示信息向屏幕打印系統(tǒng)提示信息的實現(xiàn)函數(shù)是PC_DispStr()，這一步不是必需的，是為了向用戶通知系統(tǒng)開始啟動。系統(tǒng)為了簡便起見，為了取得更好的性能，顯示函數(shù)直接向顯示存區(qū)中寫數(shù)據(jù)。3.2.2 初始化可編程中斷控制器、定時/計數(shù)器8259中斷控制器的中斷操作功能很強，包括中斷的請求、屏蔽、排隊、結束、級連以與提供中斷類型號和查詢等操作，并且

22、其操作的方式又有不同。系統(tǒng)啟動時對8259的初始化工作決定了系統(tǒng)將以何種方式控制外部中斷。系統(tǒng)共有兩片8259，分為主片和從片，其中主片的兩個口地址為0x20，0x21，從片的兩個口地址為0xA0，0xA1，對于8259的初始化工作就是通過這四個口地址實現(xiàn)的。uC/OS-II對8259的使用要求與特點是：1.共15級向量中斷，采用兩片級連，從片的INT直接連到主片的IRQ2；2.主從片的中斷請求信號均采用邊沿觸發(fā)；3.采用完全嵌套方式，優(yōu)先級的排列次序為0號中斷優(yōu)先級最高，向下依次為1號中斷，8-15號中斷，最低是3-7號中斷；4.采用非緩沖方式；5.映射0-7號中斷為中斷0x20-0x27，

23、8-15號中斷為中斷0x28-0x2f；實現(xiàn)代碼如下：#define HZ 100/*時鐘頻率為100HZ*/#define CLOCK_TICK_RATE 1193180#define LATCH(CLOCK_TICK_RATE+HZ)2)/HZ)/*計算初值*/outb_p(0x34,0x43)outb_p(LATCH&0xff,0x40);outb_p(LATCH8，0x40);3.2.3 設置中斷描述符表(IDT)在X86體系結構的保護模式下，中斷處理程序的地址不再是通過查詢中斷向量表提供，而是通過查詢中斷描述符表得到，中斷描述符表的表項從單純的入口地址改成了門(GATE)，在門中帶有

24、除入口地址外的更多信息，按不同的用途和目的，CPU中一共有四種門，即任務門(task GATE)，中斷門(interruptGATE)，陷阱門(trapGATE)以與調(diào)用門(call GATE)，在uC/OS-II中僅使用中斷門。門結構可以提供非常強的保護機制，但是uC/OS-II中并不需要如此復雜的保護機制，uC/OS-II的存管理模式是平模式(flat)，并不分段，應用程序和uC/OS-II核在同一地址空間執(zhí)行，系統(tǒng)調(diào)用不引起地址空間的切換。實際上，在uC/OS-II中任務的切換就象是位于存中不同位置的程序段之間的跳轉，第3.2.9節(jié)詳細闡述了任務調(diào)度技術。3.2.4 核心數(shù)據(jù)結構初始化在

25、這一階段對系統(tǒng)用到的全局變量和核各模塊所用到的數(shù)據(jù)結構進行初始化工作，例如，任務控制塊數(shù)組初始化（如圖3.1所示），將系統(tǒng)時鐘OSTime初始化為0等。因為uC/OS-II是可定制的，對于不使用的模塊，相應的數(shù)據(jù)結構就無需初始化，達到節(jié)約存的目的。OSTCBFreeList圖3.1 任務控制塊數(shù)組初始化3.2.5 任務調(diào)度初始化對任務調(diào)度的初始化主要是對以下幾個變量和數(shù)據(jù)結構的初始化，for(i=0,iOS_RDY_TBL_SIZE,i+)OSRdyTbli=0;unsigned char類型變量OSRdyGrp和unsigned char類型數(shù)組OSRdyTbl共同決定系統(tǒng)中有哪些任務處于就

26、緒態(tài)。OSRdyTbl是個字符型數(shù)組，每一項有8位，每一位對應一個任務，如果OSRdyTb1有N個元素，則可容納N*8個任務。系統(tǒng)中所有處于就緒態(tài)的任務對應與它的優(yōu)先級(或任務標識數(shù))在OSRdyTbl中相應位會置1，OSRdyGrp用于檢索OSRdyTbl元素的位，如圖3.2所示：圖3.2 OSRdyGrp和OSRdyTblOSPrioCur=0;/*當前占有CPU的任務的優(yōu)先級*/OSPrioHighRdy=0;/*當前處于就緒態(tài)的任務中，優(yōu)先級最高者的優(yōu)先級*/OSTCBHighRdy=(OS_TCB*)0;/*指向處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高任務的任務控制塊的指針初始為零*/OSTCBCur

27、=(OS_TCB)0;/*指向當前占有CPU的任務的任務控制塊的指針初始為零*/OSTCBList=(OS TCB)0;/*系統(tǒng)所有處于以創(chuàng)建任務處于這是一個雙向鏈表中，OSTCBList指向雙向鏈表的起始，當創(chuàng)建一個新任務就會加入這個鏈表*/for(i=0;i(OS_LOWEST_PRIO+1,i+)/*Clear the priority table*/OSTCBPrioTbli=(OS_TCB)0;/*指針數(shù)組，每一項指向一個已建立任務，指針數(shù)組下標用于按優(yōu)先級檢索任務*/3.2.6 任務間通信初始化主要是對事件控制塊和消息隊列控制塊的初始化。3.2.7 存管理初始化這樣u C/Os-I

28、I在啟動時就會對存管理器進行初始化。初始化主要建立一個存控制塊鏈表，OSMemFreeList指向這個鏈表的第一項，其中的常數(shù)OS_MAX_MEM_PART定義了最大的存分區(qū)數(shù)，該常數(shù)值至少為2。3.2.8 Idle任務和統(tǒng)計任務的初始化在OSInit()初始化完uC/OS-II的所有的變量和數(shù)據(jù)結構后，可以說為多任務運行已經(jīng)完成了所有物質(zhì)或說資源上的準備工作，但是現(xiàn)在還不能馬上調(diào)度任務運行，原因很簡單，現(xiàn)在還沒有一個處于就緒態(tài)的任務可供調(diào)度，為此必須建立任務。除了用戶任務外，還必須建立任務Idle，即空閑任務。建立此任務的原因是，在所用的任務都因故阻塞時，需要有一個任務占有CPU，因為系統(tǒng)在

29、任何情況下都要有至少一個任務處于就緒態(tài)。Idle就是這樣一個任務，它總是處于就緒態(tài)，但是它的優(yōu)先級設成最低。uC/OS-II有一個提供運行時間統(tǒng)計的任務，這個任務叫做OSTaskStat()，如果用戶將系統(tǒng)定義常數(shù)OS_TASK_STAT_EN設為1，這個任務就會在初始時建立，OSTaskStat()告訴用戶應用程序使用了多少CPU時間，用百分比表示。如果用戶應用程序打算使用統(tǒng)計任務，用戶必須在初始化時建立一個任務,這個任務中調(diào)用OSStatInit()。在上述初始化過程完成以后，核可已開始調(diào)度任務運行8。3.2.9 調(diào)度最高優(yōu)先級任務開始運行多任務的啟動是用戶通過調(diào)用OSStart()實現(xiàn)的

30、，示例代碼如下所示。當OSStart()工作時，它從任務就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級最高任務的任務控制塊。然后，OSStart()調(diào)用高優(yōu)先級就緒任務啟動函數(shù)OSStartHighRdy()，將任務棧中保存的值彈回到CPU寄存器中，然后執(zhí)行一條中斷返回指令，中斷返回指令強制執(zhí)行該任務代碼。OSStartHighRdy()運行后，uC/OS-II系統(tǒng)通過調(diào)度函數(shù)在各任務間跳轉，不會返回到OSStart()。void OSStart(void)INT8U y;INT8U x;if(OSRunning=FALSE)y=OSUnMapTblOSRdyGrp; /*找出最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級*/x=OS

31、UnMapTbl(OSRdyTbly);OSPrioHighRdy=(INT8U)(y3)+x);OSPrioCur=OSPrioHighRdy;OSTCBHighRdr=OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy;/*指向?qū)⒁{(diào)度運行的任務的控制塊*/OSTCBCur=OSTCBHighRdy;OSStartHighRdy();/*運行最高優(yōu)先級任務*/3.3 uC/OS-II的移植分析移植uC/OS-，其實就是使該實時核能在某個微處理器或微控制器上運行。為方便移植，大部分的uC/OS-代碼是用C語言寫的，但仍需要用匯編語言寫一些與處理器相關的代碼，這是因為uC/OS-在讀寫處理器和

32、寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)。uC/OS-II的移植過程，包括編譯常量的設置，數(shù)據(jù)類型的定義，宏定義，以與與操作系統(tǒng)調(diào)度相關的函數(shù)的編寫，其部分是用匯編語言實現(xiàn)的9。3.3.1 uC/OS-II的移植對芯片的要求（1）處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼，即可以編寫可重入型函數(shù)?？芍厝胄秃瘮?shù)可以被一個以上的任務調(diào)用，而不必擔心數(shù)據(jù)的破壞。可重入型函數(shù)任何時候都可以被中斷，一段時間以后又可以運行，而相應數(shù)據(jù)不會丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)或者只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器中或堆棧中。如果使用全局變量，則要對全局變量予以保護。 （2）用C語言就可以打開或者關閉中斷。中斷使得CPU可以在事件發(fā)生時才

33、予以處理，而不必讓微處理器連續(xù)不斷地查詢(Polling)是否有事件發(fā)生。通過兩條特殊指令：關中斷和開中斷可以讓微處理器不響應或響應中斷。這樣可以使程序在運行中可以自主的開關中斷，以保護數(shù)據(jù)或堆棧等。在uC/OS-II中一般使用OS_ENTER_CRITICAL()宏和OS_EXIT_CRITICAL()宏來控制系統(tǒng)中斷的打開和關閉。 （3）C編譯器還要支持匯編語言程序。絕大部分的C編譯器都是為嵌入式系統(tǒng)設計的，它包括匯編器、連接器和定位器。連接器用來將不同的模塊(編譯過和匯編過的文件)連接成目標文件。定位器則允許用戶將代碼和數(shù)據(jù)放置在目標處理器的指定存映射空間中。（4）處理器支持中斷，并可以

34、產(chǎn)生定時中斷（通常在10到100HZ之間）。（5）處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)（可能是幾千字節(jié)）的硬件堆棧。（6）處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出并存儲到堆?；虼嬷械闹噶?。因為在uC/OS-II進行任務調(diào)度的時候，會將寄存器存放到任務堆棧當中。3.3.2 uC/OS-II的移植工作uC/OS-II硬件和軟件的體系結構如圖3.3所示，從圖中可以看到，對uC/OS-II的移植實際上就是對與處理器有關的代碼進行重寫或修改。圖3.3 uC/OS-II硬件和軟件體系結構移植工作主要包括以下幾個容：OS_CPU.H中需要針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型。OS_CPU.H中需要設置常量來標

35、志堆棧增長方向。OS_CPU.H中需要聲明用于開關中斷和任務切換的宏。OS_CPU_A.ASM中需要改寫4個匯編語言的函數(shù)。OS_CPU_C.C中需要用C語言寫6個簡單的函數(shù)。從uC/OS-II的硬件和軟件體系結構圖中可以看到，如果要使用uC/OS-II, 必須為其編寫OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個文件。這三個文件是與芯片的硬件特性有關的，它們主要提供任務切換與系統(tǒng)時鐘的功能。其它文件用C寫成，它們?yōu)橄到y(tǒng)提供任務管理、任務之間通信、時間管理以與存管理等功能10。4 uC/OS-II移植的應用要移植的目標機是使用X86 CPU的PC機，希望移植后的uC/OS

36、-II工作在X86 CPU的實地址模式下，下面簡單介紹一下X86 CPU。Intel X86 CPU是Intel公司生產(chǎn)的32位微處理器，可以工作在實地址模式和保護地址模式，是現(xiàn)在個人計算機硬件研究中使用最多的CPU。采用的開發(fā)工具是Borland C/C+ V3.1和Borland Turbo Assembler匯編器完成程序的移植和測試，它可以產(chǎn)生可重入的代碼，同時支持在C程序中嵌入?yún)R編語句。編譯完成后，程序可在PC機上運行。4.1 Intel X86 CPU在實地址模式下的寄存器在X86 CPU實地址模式下，可以見到6個16位寄存器(CS,DS,SS,ES,FS,GS)和24個32位寄存

37、器，其中的9個寄存器對于實模式下編程很重要，它們是：4個數(shù)據(jù)寄存器(EAX,EBX,ECX,EDX)，2個指針寄存器(EBP,ESP)，2個變址寄存器(ESI,EDI)和1個標志寄存器(FLAGS)。4.1.1 通用寄存器X86 CPU有8個32位通用寄存器，EAX,EBX,ECX,EDX,ESP,EBP,ESI和EDI。它們是原來80286 CPU的16位通用寄存器的擴展.這些寄存器的低16位可以作為16位的通用寄存器獨立使用，分別為AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI和DI。其中AX,BX,DX和DX的高8位和低8位可以獨立存取，形成AL,AH,BL,BH,CL,CH,DL和DH 8個

38、8位通用寄存器。這些寄存器可以用來傳送數(shù)據(jù)、暫存數(shù)據(jù)、保存結果、還可以存放地址。在X86 CPU中，這8個32位通用寄存器都可以作為指針寄存器使用，這與8086，80286 CPU不同。4.1.2 段寄存器X86 CPU有個16位段寄存器，分別為CS,SS,DS,ES,FS和GS。在實模式下，這些段寄存器存放段的基地址。與段偏移組合“段基址：偏移”形成地址。在保護模式下，這些寄存器的作用將發(fā)生改變。4.1.3 指令指針寄存器EIP是X86的指令指針寄存器，存放將要運行的下一條指令的地址偏移。EIP是由IP擴展來的，因為在實模式下段的最大圍是64K，所以，EIP的高16位是0。4.1.4 標志寄

39、存器X86 CPU的標志寄存器用來記錄與機器有關的各種狀態(tài)。如圖4.1所示，標志寄存器包含運算結果標志和狀態(tài)控制標志11。圖4.1 標志寄存器4.2 實時操作系統(tǒng)uC/OS-II的移植過程uC/OS-II的移植工作主要包括以下幾個容：（1）OS_CPU.H中需要針對處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型。（2）OS_CPU.H中需要設置常量來標志堆棧增長方向。（3）OS_CPU.H中需要聲明用于開關中斷和任務切換的宏。（4）OS_CPU_A.ASM中需要改寫4個匯編語言的函數(shù)。（5）OS_CPU_C.C中需要用C語言寫6個簡單的函數(shù)12。 下面分別進行說明。4.2.1 INCLUDES.H頭文件I

40、NCLUDES.H 是主頭文件，在所有后綴名為.C的文件的開始都包含INCLUDES.H文件。使用INCLUDES.H的好處是所有的.C文件都只包含一個頭文件，程序簡潔，可讀性強。缺點是.C文件可能會包含一些它并不需要的頭文件，額外的增加編譯時間。與優(yōu)點相比，多一些編譯時間還是可以接受的。用戶可以改寫INCLUDES.H文件，增加自己的頭文件，但必須加在文件末尾。為80x86編寫的INCLUDES.H的程序如下所示：#include #include #include #include #include #include #include #include softwareucos-iiix8

41、6los_cpu.h#include os_cfg.h#include softwareblockspcsourcepc.h#include softwareucos-iisourceucos_ii.h4.2.2 OS_CPU.H文件OS_CPU.H 文件中包含與處理器相關的常量，宏和結構體的定義。為80x86編寫的OS_CPU.H文件的程序如下所示：#ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#else#define OS_CPU_EXT extern#endif/* 數(shù)據(jù)類型(與編譯器相關的容)*/typedef unsigned char BOOLEAN

42、;typedef unsigned char INT8U;/* 無符號8位數(shù) (1)*/typedef signed char INT8S;/* 帶符號8位數(shù) */typedef unsigned int INT16U;/* 無符號16位數(shù) */typedef signed int INT16S;/* 帶符號16位數(shù) */typedef unsigned long INT32U;/* 無符號32位數(shù) */typedef signed long INT32S; /* 帶符號32位數(shù) */typedef float FP32;/* 單精度浮點數(shù) */typedef double FP64;/* 雙

43、精度浮點數(shù) */typedef unsigned int OS_STK;/* 堆棧入口寬度為16位 */#define BYTE INT8S /* 以下定義的數(shù)據(jù)類型是為了與uC/OS V1.xx 兼容 */#define UBYTE INT8U /*在uC/OS-II中并沒有實際的用處 */#define WORD INT16S#define UWORD INT16U#define LONG INT32S#define ULONG INT32U/*Intel 80x86 (實模式, 大模式編譯)*方法: 用簡單指令開關中斷。*注意，用此方法關閉中斷，從調(diào)用函數(shù)返回后中斷會重新打開！*注意將文

44、件OS_CPU_A.ASM中與OSIntCtxSw()相關的常量從10改到8。*/#define OS_CRITICAL_METHOD 2#if OS_CRITICAL_METHOD = 1#define OS_ENTER_CRITICAL() asm CLI /* 關閉中斷*/#define OS_EXIT_CRITICAL() asm STI /* 打開中斷*/#endif#if OS_CRITICAL_METHOD = 2#define OS_ENTER_CRITICAL() asm PUSHF; CLI /* 關閉中斷 */#define OS_EXIT_CRITICAL() asm

45、POPF/* 打開中斷 */#endif/* Intel 80x86 (實模式, 大模式編譯)*/#define OS_STK_GROWTH 1 /* 堆棧由高地址向低地址增長 (3)*/#define uCOS 0x80 /* 中斷向量0x80用于任務切換 (4)*/#define OS_TASK_SW() asm INT uCOS /* (5) */* 全局變量 */OS_CPU_EXT INT8U OSTickDOSCtr; /*為調(diào)用DOS時鐘中斷而定義的計數(shù)器 (6)*/4.2.2.1 數(shù)據(jù)類型由于不同的處理器有不同的字長，C/OS-II 的移植需要重新定義一系列的數(shù)據(jù)結構。使用Bo

46、rland C/C+編譯器，整數(shù)（int）類型數(shù)據(jù)為16 位，長整形（long）為32 位。盡管C/OS-II 中沒有用到浮點類型的數(shù)，在源代碼中還是提供了浮點類型的定義。由于在80x86實模式中堆棧都是按字進行操作的，沒有字節(jié)操作，所以Borland C/C+編譯器中堆棧數(shù)據(jù)類型OS_STK 聲明為16 位。所有的堆棧都必須用OS_STK 聲明。4.2.2.2 代碼臨界區(qū)與其他實時系統(tǒng)一樣，C/OS-II 在進入系統(tǒng)臨界代碼區(qū)之前要關閉中斷，等到退出臨界區(qū)后再打開。從而保護核心數(shù)據(jù)不被多任務環(huán)境下的其他任務或中斷破壞。Borland C/C+支持嵌入?yún)R編語句，所以加入關閉/打開中斷的語句是很

47、方便的。C/OS-II定義了兩個宏用來關閉/打開中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。直接將OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()定義為處理器的關閉（CLI）和打開（STI）中斷指令。但這種方法有一個隱患，如果在關閉中斷后調(diào)用C/OS-II函數(shù)，當函數(shù)返回后，中斷將被打開！嚴格意義上的關閉中斷應該是執(zhí)行OS_ENTER_CRITICAL()后中斷始終是關閉的，但本方法的最大優(yōu)點是簡單，執(zhí)行速度快（只有一條指令），在此類操作頻繁的時候更為突出。此時需要將OSIntCtxSw()中的常量由10改到8（見文件OS_C

48、PU_A.ASM)。4.2.2.3 堆棧增長方向80x86 處理器的堆棧是由高地址向低地址方向增長的，所以常量OS_STK_GROWTH必須設置為1見程序中的注釋(3)。4.2.2.4 OS_TASK_SW()函數(shù)在C/OS-II中, 就緒任務的堆棧初始化應該模擬一次中斷發(fā)生后的樣子，堆棧中應該按進棧次序設置好各個寄存器的容。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回的時候進行任務切換。80x86提供了256個軟中斷源可供選用，中斷服務程序（ISR）（也稱為例外處理過程）的入口點必須指向匯編函數(shù)OSCtxSw()（請參看文件OS_CPU_A.ASM）。4.2.2.5 時鐘節(jié)拍的發(fā)

49、生頻率實時系統(tǒng)中時鐘節(jié)拍的發(fā)生頻率應該設置為10到100 Hz。通常（但不是必須的）為了方便計算設為整數(shù)。不幸的是，在PC中，系統(tǒng)缺省的時鐘節(jié)拍頻率是18.20648Hz，更改PC的時鐘節(jié)拍頻率到200 Hz（間隔5ms）。一方面200 Hz近似18.20648Hz的11倍，可以經(jīng)過11次延時再調(diào)用DOS中斷；另一方面，在DOS中，有些操作要求時鐘間隔為54.93ms，設定的間隔5ms也可以滿足要求。在文件OS_CPU.H的末尾聲明了一個8位變量OSTickDOSCtr，將保存時鐘節(jié)拍發(fā)生的次數(shù)，每發(fā)生11次，調(diào)用DOS的時鐘節(jié)拍函數(shù)一次，從而實現(xiàn)與DOS時鐘的同步。OSTickDOSCtr是

50、專門為PC環(huán)境而聲明的，如果在其他非PC的系統(tǒng)中運行C/OS-II，就不用這種同步方法，直接設定時鐘節(jié)拍發(fā)生頻率就行了13。4.2.3 OS_CPU_A.ASM文件C/OS-II 的移植需要用戶改寫OS_CPU_A.ASM中的四個函數(shù)： (1)OSStartHighRdy()(2)OSCtxSw()(3)OSIntCtxSw()(4)OSTickISR()4.2.3.1 OSStartHighRdy()函數(shù)該函數(shù)由OSStart()函數(shù)調(diào)用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務，在調(diào)用OSStart()之前，用戶必須先調(diào)用OSInit()，并且已經(jīng)至少創(chuàng)建了一個任務（請參考OSTaskCreate(

51、)和OSTaskCreateExt()函數(shù)）。OSStartHighRdy()默認指針OSTCBHighRdy指向優(yōu)先級最高就緒任務的任務控制塊（OS_TCB）（在這之前OSTCBHighRdy已由OSStart()設置好了）。圖4.2給出了由函數(shù)OSTaskCreate() 或OSTaskCreateExt() 創(chuàng)建的任務的堆棧結構。很明顯，OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr指向的是任務堆棧的頂端。函數(shù)OSStartHighRdy()的代碼如下所示：_OSStartHighRdy PROC FARMOV AX, SEG _OSTCBHighRdy ; 載入 DSMOV DS,

52、AX ;CALL FAR PTR _OSTaskSwHookINC BYTE PTR DS:_OSRunning LES BX, DWORD PTR DS:_OSTCBHighRdy ; SS:SP = OSTCBHighRdy-OSTCBStkPtr(1)MOV SS, ES:BX+2 ;MOV SP, ES:BX+0 ;POP DS ; 恢復任務環(huán)境 (2)POP ES ; (3)POPA ; (4);IRET ; 運行任務 (5)_OSStartHighRdy ENDP函數(shù)OSTaskCreate() 或OSTaskCreateExt() 創(chuàng)建的任務的堆棧結構如下圖所示：圖4.2 任務創(chuàng)

53、立時的80x86堆棧結構為了啟動任務，OSStartHighRdy()從任務控制塊（OS_TCB）見程序注釋(1)中找到指向堆棧的指針，然后運行POP DS 見程序注釋(2), POP ES 見程序注釋(3), POPA 見程序注釋(4), 和 IRET 見程序注釋(5)指令。此處將任務堆棧指針保存在任務控制塊的開頭，這樣使得堆棧指針的存取在匯編語言中更容易操作。當執(zhí)行了IRET指令后，CPU會從(SS:SP)指向的堆棧中恢復各個寄存器的值并執(zhí)行中斷前的指令。SS:SP+4指向傳遞給任務的參數(shù)pdata14。4.2.3.2 OSCtxSw()函數(shù)OSCtxSw()是一個任務級的任務切換函數(shù)（在

54、任務中調(diào)用，區(qū)別于在中斷程序中調(diào)用的OSIntCtxSw()）。在80x86系統(tǒng)上，它通過執(zhí)行一條軟中斷的指令來實現(xiàn)任務切換。軟中斷向量指向OSCtxSw()。在C/OS-II中，如果任務調(diào)用了某個函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結果可能造成系統(tǒng)任務重新調(diào)度（例如試圖喚醒了一個優(yōu)先級更高的任務），則在函數(shù)的末尾會調(diào)用OSSched(),如果OSSched()判斷需要進行任務調(diào)度，會找到該任務控制塊OS_TCB的地址，并將該地址拷貝到OSTCBHighRdy，然后通過宏OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷進行任務切換。注意到在此過程中，變量OSTCBCur始終包含一個指向當前運行任務OS_TCB的指針。程序如下所示：_OSCtxSw PROC FAR ；(1);PUSHA ；保存當前任務環(huán)境(2)PUSH ES ；(3)PUSH DS ；(4);MOV AX, SEG _OSTCBCur ; 載入DSMOV DS, AX;LES BX, DWORD PTR DS:_OSTCBCur ; OSTCBCur-OSTCBStkPtr = S