嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)說明書

1、概要設(shè)計(jì)說明書Version: 1.0項(xiàng)目承擔(dān)隊(duì)伍：大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院E-fanciers小組撰寫人（簽名）： 孝瑞完成日期：2009-7-16本文檔使用小組：E-fanciers小組評(píng)審負(fù)責(zé)人 （簽名）： 孝瑞評(píng)審日期：2009-8-19分類：軟件項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用者： E-fanciers目 錄一、引言41.1 編寫目的41.2 項(xiàng)目背景41.3 定義41.4 參考資料：5二、任務(wù)概述52.1 目標(biāo)52.2 運(yùn)行環(huán)境62.3需求概述62.4 條件與限制6三、總體設(shè)計(jì)63.1 處理流程63.2 總體結(jié)構(gòu)和模塊外部設(shè)計(jì)63.3.功能分配7四、接口設(shè)計(jì)74.1 外部接口74.2 部接口7五、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8

2、5.1邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)85.2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)85.2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8六、運(yùn)行設(shè)計(jì)86.1 運(yùn)行模塊的組合86.2 運(yùn)行控制86.3 運(yùn)行時(shí)間8七、出錯(cuò)處理設(shè)計(jì)9八、安全設(shè)計(jì)9九、維護(hù)設(shè)計(jì)9概要設(shè)計(jì)說明書（ Architectural Design Specification）一引言1 編寫目的MyRTOS是 E-fanciers小組通過開源的微型操作系統(tǒng)ucos-ii開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目標(biāo)板選用周立功ARMLPC2138+JLINK調(diào)試頭,開發(fā)環(huán)境選用RealView公司的MDK.MyRTOS的設(shè)計(jì)采用ucos-ii的設(shè)計(jì)思想 ,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和創(chuàng)新. 尤其設(shè)計(jì)解決了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題

3、和同級(jí)時(shí)間片輪詢調(diào)度機(jī)制.2 項(xiàng)目背景嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是09 年省齊魯軟件大賽新增的題目, 本題目迎合了目前非常熱門的嵌入式產(chǎn)業(yè)的人才需求,讓學(xué)生了解嵌入式開發(fā)的方方面面. 并逐漸進(jìn)入嵌入式開發(fā)的領(lǐng)域.E-fanciers小組經(jīng)過分析本次大賽的題目，最后決定選擇這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的題目.后來經(jīng)過學(xué)習(xí)和老師的指導(dǎo), 認(rèn)識(shí)到選擇此題目的必要性：目前市場上有很多嵌入式產(chǎn)品,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也是層出不窮, 如何開發(fā)出一個(gè)功能完善、而又高效的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為一大熱點(diǎn)課題.3 定義3.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Embedded Real Time OS，簡稱RTOS）是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

4、開發(fā)的核心軟件，是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，就像我們?nèi)粘Ｋ糜?jì)算機(jī)桌面系統(tǒng)中，微軟公司的 Windows 操作系統(tǒng)一樣重要。市場上有很多著名的商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)，如 Pam OS、 Windows CE 、嵌入式 Linux 和 C/OS-II 等上千種 RTOS。 3.2 臨界區(qū)VxWorks 、和其它核一樣，MyRtos 為了處理臨界段代碼需要關(guān)中斷，處理完畢后再開中斷。這使得 MyRtos 能夠避免同時(shí)有其它任務(wù)或中斷服務(wù)進(jìn)入臨界段代碼。 關(guān)中斷的時(shí)間是實(shí)時(shí)核開發(fā)商應(yīng)提供的最重要的指標(biāo)之一， 因?yàn)檫@個(gè)指標(biāo)影響用戶系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)性。 MyRtos 努力使關(guān)中斷時(shí)間降至最短，但就使用 MyR

5、tos 而言，關(guān)中斷的時(shí)間很大程度上取決于微處理器的架構(gòu)以及編譯器所生成的代碼質(zhì)量。3.3 任務(wù)一個(gè)任務(wù)通常是一個(gè)無限的循環(huán)。一個(gè)任務(wù)看起來像其它類型，有形式參數(shù)變量，返回任務(wù)編號(hào).C 的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回3.4 任務(wù)調(diào)度確定哪個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，下面該哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了的工作是由調(diào)度器（Scheduer）完成的。3.5 空閑任務(wù)系統(tǒng)的空閑任務(wù)OS_TaskIdle() ，MyRtos 總是建立一個(gè)空閑任務(wù)，這個(gè)任務(wù)在沒有其它任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)投入運(yùn)行。這個(gè)空閑任務(wù)永遠(yuǎn)設(shè)為最低優(yōu)先級(jí)，即OS_LOWEST_PRI0 。空閑任務(wù)OS_TaskIdle ()什么也不做，只是在不停地給一個(gè)32 位的名叫O

6、SIdeCtr 的計(jì)數(shù)器加 1，注意空閑任務(wù)不可能被應(yīng)用軟件刪除。屬于系統(tǒng)服務(wù).3.6 統(tǒng)計(jì)任務(wù)統(tǒng)計(jì)任務(wù)用來根據(jù)計(jì)數(shù)器的值計(jì)算cpu 利用率，屬于系統(tǒng)服務(wù).3.7 任務(wù)管理對(duì)任務(wù)進(jìn)行的操作,包括任務(wù)創(chuàng)建、刪除、阻塞睡眠、掛起、恢復(fù)等操作。屬于核部分。3.8 任務(wù)堆棧每個(gè)任務(wù)都有自己的堆?？臻g。堆棧必須聲明為組成。用戶可以靜態(tài)分配堆?？臻g(在編譯的時(shí)候分配時(shí)候分配 )。3.9 優(yōu)先級(jí)OS_STK 類型，并且由連續(xù)的存空間)也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g(在運(yùn)行的在用戶建立任務(wù)的時(shí)候會(huì)分配給任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)決定了任務(wù)的運(yùn)行次序和調(diào)度次序。3.10 互斥信號(hào)量使用互斥信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通信，避免了優(yōu)先

7、級(jí)反轉(zhuǎn)問題的發(fā)生。包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量.互斥信號(hào)量的操作3.11 ShellShell是用來進(jìn)行人機(jī)交互的界面。供操作系統(tǒng)的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作.用戶可以通過Shell查看任務(wù)運(yùn)行情況、可以掛起、恢復(fù)任務(wù)，查看信號(hào)量的使用情況等操作.4 參考資料（列出這些資料的作者、標(biāo)題、編號(hào)、發(fā)表日期、出版單位或資料來源，可包括：編號(hào)名稱作者 /來源（1 ）項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃；E-fanciers（2 ）需求規(guī)格說明書；E-fanciers（3 ）測試計(jì)劃（初稿）；E-fanciers（4 ）用戶操作手冊(cè)（初稿）；E-fanciers（5 ） ucos-ii 中文版（6 ）自己動(dòng)手做操作系統(tǒng)

8、二任務(wù)概述1目標(biāo) :實(shí)現(xiàn)大賽要求的基本功能，并著手實(shí)現(xiàn)一些擴(kuò)展功能2 運(yùn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)板： lpc2138調(diào)試頭 :JLINK開發(fā)環(huán)境 :RealViewMDk3.53 需求概述本賽題要求完成一個(gè)小型微核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。需提交實(shí)際可運(yùn)行代碼， 并在參考硬件平臺(tái)上演示功能。軟件實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)遵循敏捷性方法的指導(dǎo)，注意代碼和文檔的質(zhì)量和版本控制，編寫測試用例驗(yàn)證軟件功能和重構(gòu)代碼。4 條件與限制1. 參考硬件平臺(tái)為：周立功 EasyArm2138。實(shí)際上，也可用其他 LPC系列 CPU和實(shí)驗(yàn)板，只要 CPU有足夠的RAM、Flash 存儲(chǔ)器和一個(gè)串口擴(kuò)展就可以了。但與 LPC2138區(qū)別越

9、小越好，最終的驗(yàn)證都統(tǒng)一在LPC2138上進(jìn)行。2.硬件抽象層的接口遵循uc/OS 的接口規(guī)。 這樣現(xiàn)存的大量的uC/OS 硬件抽象層可為新操作系統(tǒng)提供服務(wù)，減少移植工作量。硬件抽象層可以直接借用uC/OS 的代碼，但最好自己實(shí)現(xiàn)，只是接口兼容。3. 操作系統(tǒng)的調(diào)用采用函數(shù)調(diào)用方式，不用中斷陷入方式；4. 將各任務(wù)棧獨(dú)立，作為任務(wù)的私有存儲(chǔ)區(qū)；5.同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不小于255 個(gè)?？臻e任務(wù)占用編號(hào)0。6.同級(jí)任務(wù)的輪詢時(shí)間片大小可以調(diào)節(jié)，單位為10毫秒 ( 稱為 tick) 。7. 串口接口參數(shù)：波特率 9600， 8 位數(shù)據(jù)， 1 位停止，無硬件流控制。8.任務(wù)優(yōu)先級(jí)不小于 255 級(jí)，最高優(yōu)

10、先級(jí)為 0，最低優(yōu)先級(jí)為255?？臻e任務(wù)優(yōu)先級(jí)為 255。9.操作系統(tǒng)的應(yīng)用接口的應(yīng)遵循題目的規(guī)，見后面的描述。10.對(duì)于代碼移植性驗(yàn)證，參賽者可自行選擇硬件平臺(tái)。該硬件平臺(tái)與LPC2138或 ARM之間的區(qū)別越大越好。三總體設(shè)計(jì)1 處理流程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型微核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),硬件抽象層的接口遵循uc/OS 的接口規(guī)。操作系統(tǒng)的調(diào)用采用函數(shù)調(diào)用方式，不用中斷陷入方式，同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不小于255個(gè)?？臻e任務(wù)占用編號(hào)0。同級(jí)任務(wù)的調(diào)度采用時(shí)間片輪詢的方式，不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)采用按優(yōu)先計(jì)調(diào)度的方式，及時(shí)對(duì)請(qǐng)求的任務(wù)進(jìn)行處理。2 總體結(jié)構(gòu)和模塊外部設(shè)計(jì)1.任務(wù)管理模塊對(duì)任務(wù)進(jìn)行的操作,包括任務(wù)創(chuàng)建、

11、刪除、阻塞睡眠、掛起、恢復(fù)等操作。屬于核部分。2.任務(wù)堆棧模塊每個(gè)任務(wù)都有自己的堆?？臻g。堆棧必須聲明為組成。用戶可以靜態(tài)分配堆?？臻g (在編譯的時(shí)候分配時(shí)候分配 )。OS_STK 類型，并且由連續(xù)的存空間)也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g(在運(yùn)行的3.優(yōu)先級(jí)模塊在用戶建立任務(wù)的時(shí)候會(huì)分配給任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)決定了任務(wù)的運(yùn)行次序和調(diào)度次序。4.互斥信號(hào)量模塊使用互斥信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通信，避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的發(fā)生。包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量.互斥信號(hào)量的操作5. ShellShell是用來進(jìn)行人機(jī)交互的界面。供操作系統(tǒng)的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作.用戶可以通過Shell查看任務(wù)運(yùn)行情況、

12、可以掛起、恢復(fù)任務(wù)，查看信號(hào)量的使用情況等操作.3 功能分配（表明各項(xiàng)功能與程序結(jié)構(gòu)的關(guān)系。）各個(gè)模塊既是相互獨(dú)立的又是互相關(guān)聯(lián)的，各個(gè)模塊的互相調(diào)用配合共同使得系統(tǒng)得以穩(wěn)定的工作。四接口設(shè)計(jì)1 外部接口遵循 uc/OS 的底層接口規(guī)，參考代碼文件OS_CPU.H, OS_CPU_A.C, OS_CPU_A.S2 部接口部各模塊間設(shè)計(jì)容易訪問的接口。下面為 os.h 頭文件容 , 該文件為對(duì)外應(yīng)用接口說明文件。若需使用操作系統(tǒng)服務(wù)，需引用該文件。列出為基本部分，參賽者必須遵循，根據(jù)需要可擴(kuò)展。/*初始化操作系統(tǒng)，建立多任務(wù)環(huán)境. 該函數(shù)調(diào)用后，其他系統(tǒng)調(diào)用則可用*/*返回 : 0: 成功, -

13、1:失敗 .后面返回?zé)o說明則同 */int taskInit(void);/*創(chuàng)建一個(gè)任務(wù) */*返回 : 返回任務(wù)編號(hào) tid, >0:成功, 其他 : 失敗.*/*name: 任務(wù)名稱 , entryPtr :任務(wù)函數(shù)入口 , stack_size:任務(wù)棧大小 , priority:任務(wù)優(yōu)先級(jí)*/int taskCreate(char *name, void *entryPtr, int stack_size, int priority);/* 啟動(dòng)一個(gè)任務(wù) , 讓 taskCreat創(chuàng)建的任務(wù)參加調(diào)度*/*tid:任務(wù)編號(hào) ,由 taskCreate返回 */int taskSta

14、rt(unsigned char tid);/* 獲取和設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí),用于動(dòng)態(tài)調(diào)整 */int taskPriorityGet(unsigned char tid);int taskPrioritySet(unsigned char tid, int newPriority);/* 將任務(wù)掛起 ,該任務(wù)退出調(diào)度 */int taskSuspend(unsigned char tid);/* 將任務(wù)刪除該任務(wù)退出調(diào)度且回收任務(wù)分配的資源*/int taskDelete(unsigned char tid);/* 互斥信號(hào)量創(chuàng)建 ,返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)sid, <0:失敗 */int semCr

15、eate(void);/* 互斥信號(hào)量獲取和釋放*/int semTake(int sid);int semGive(int sid);/* 任務(wù)睡眠 ( 非忙等 ), 由任務(wù)自己調(diào)用 , 主動(dòng)阻塞一段時(shí)間 . 時(shí)間單位為 tick, 即 10 毫秒 */ int taskSleep(int ticks);五數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 任務(wù)狀態(tài)任務(wù)共有五種狀態(tài),在任一給定的時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)一定是在這五種狀態(tài)之一.1.2 任務(wù)控制塊一旦任務(wù)建立了，任務(wù)控制塊將被賦值。任務(wù)控制塊是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)， 系統(tǒng)用它來保存該任務(wù)的狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)重新得到CPU使用權(quán)時(shí)， 任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從當(dāng)時(shí)被中斷的那一點(diǎn)絲毫不差地繼續(xù)執(zhí)行?？刂茐K全部駐留在RAM中。讀者將會(huì)注意到筆者在組織這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到了各成員的邏輯分組。任務(wù)建立的時(shí)候，控制塊就被初始化了2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件抽象層的建立,遵循 ucos-ii的規(guī) .3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序的關(guān)系就緒隊(duì)列使用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)遍歷鏈表查詢.六運(yùn)行設(shè)計(jì)1 運(yùn)行模塊的組合各模塊互相配合共同完成對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。2 運(yùn)行控制通過 Shell來控制任務(wù)的運(yùn)行,可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行掛起、恢復(fù)、運(yùn)行、刪除等操作。3 運(yùn)行時(shí)間通過以時(shí)鐘心跳tick為單位對(duì)任務(wù)狀態(tài)計(jì)時(shí)，任務(wù)調(diào)度有同級(jí)時(shí)間片