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

1、概要設(shè)計(jì)說(shuō)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一、弓I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)85.1邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)85.2物理結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)85.2物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shuō)明書(ArchitecturalDesignSpecification)1. 一.引言編寫目的MyRTOS是E-fanciers小組通過(guò)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.2. 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(wèn)題和同級(jí)時(shí)間片輪詢調(diào)度機(jī)制項(xiàng)目背景嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

3、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(guò)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(lái)經(jīng)過(guò)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(chǎng)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)(EmbeddedRealTimeOS,簡(jiǎn)稱RTOS)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(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

4、公司的Windows操作系統(tǒng)一樣重要。市場(chǎng)上有很多著名的商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、PamOS、WindowsCE、嵌入式Linux和C/OS-II等上千種RTOS。3.2臨界區(qū)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MyRtos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(wú)限的循環(huán)

5、。一個(gè)任務(wù)看起來(lái)像其它C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，返回任務(wù)編號(hào).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(méi)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OSIdeCtr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(lái)根據(jù)計(jì)數(shù)器的值計(jì)算cpu利用率，屬于系統(tǒng)

6、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)都有自己的堆棧空間。堆棧必須聲明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的存空間組成。用戶可以靜態(tài)分配堆棧空間（在編譯的時(shí)候分配）也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g（在運(yùn)行的時(shí)候分配）。3.9優(yōu)先級(jí)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)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的發(fā)生?；コ庑盘?hào)量的操作包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量3.11ShellShell是用來(lái)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

7、.用戶可以通過(guò)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編虧名稱(1)項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃；(2)需求規(guī)格說(shuō)明書；(3)測(cè)試計(jì)劃（初稿）；(4)用戶操作手冊(cè)（初稿）；(5)ucos-ii中文版(6)自己動(dòng)手做操作系統(tǒng)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(lái)源，可包括:作者/來(lái)源E-fanciersE-fanciersE-fanciersE-fanciers1 .任務(wù)概述.目標(biāo)：2. 實(shí)現(xiàn)大賽要求的基本功能，并著手實(shí)現(xiàn)一些擴(kuò)展功能運(yùn)行環(huán)境MDk3.5實(shí)驗(yàn)板：lpc2138調(diào)試頭:JLINK開發(fā)環(huán)境:RealView需求概述本賽題要求完成一個(gè)

8、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(guò)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(cè)試用例驗(yàn)證軟件功能和重構(gòu)代碼。條件與限制參考硬件平臺(tái)為：周立功EasyArm2138。實(shí)際上，也可用其他LPC系列CP成日實(shí)驗(yàn)板，只要CPW足夠的RAMFlash存儲(chǔ)器和一個(gè)串口擴(kuò)展就可以了。但與LPC2138區(qū)別越小越好，最終的驗(yàn)證都統(tǒng)一在LPC2138上進(jìn)行。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)，

9、只是接口兼容。1. 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；將各任務(wù)棧獨(dú)立，作為任務(wù)的私有存儲(chǔ)區(qū)；同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不小于255個(gè)。空閑任務(wù)占用編號(hào)0。2. 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）。3. 串口接口參數(shù)：波特率9600,8位數(shù)據(jù)，1位停止，無(wú)硬件流控制。任務(wù)優(yōu)先級(jí)不小于255級(jí)，最高優(yōu)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。4. 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。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).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

10、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)。空閑任務(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。.總體結(jié)構(gòu)和模塊外部設(shè)計(jì)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、刪除、阻塞睡眠、掛起、恢復(fù)等操作。屬于核部分。任務(wù)堆棧模塊每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧空間。堆棧必須聲明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的存空間組成。用戶可以靜態(tài)分配堆棧空間（在編譯的時(shí)候分配）也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g（在運(yùn)行的時(shí)候分配）。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)

11、。優(yōu)先級(jí)決定了任務(wù)的運(yùn)行次序和調(diào)度次序。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(wèn)題的發(fā)生?；コ庑盘?hào)量的操作包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量ShellShell是用來(lái)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(guò)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.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)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.S.部接口部

12、各模塊間設(shè)計(jì)容易訪問(wèn)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(shuō)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,-1:失敗.后面返回?zé)o說(shuō)明則同*/inttaskInit(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)*/inttaskCreate(char*name,void*entryPtr,in

13、tstack_size,intpriority);/*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*/inttaskStart(unsignedchartid);/*獲取和設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整*/inttaskPriorityGet(unsignedchartid);inttaskPrioritySet(unsignedchartid,intnewPriority);/*將任務(wù)掛起，該任務(wù)退出調(diào)度*/inttaskSuspend(unsignedchartid);/*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*/inttask

14、Delete(unsignedchartid);/*互斥信號(hào)量創(chuàng)建，返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)sid,0:失敗*/intsemCreate(void);/*互斥信號(hào)量獲取和釋放*/intsemTake(intsid);intsemGive(intsid);/*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*/inttaskSleep(intticks);1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).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CPW!用權(quán)被剝奪時(shí)

15、，系統(tǒng)用它來(lái)保存該任務(wù)的狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)重新得到CPL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。控制塊全部駐留在RA。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2 被初始化了.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.1 運(yùn)行設(shè)計(jì).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(guò)Shell來(lái)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。運(yùn)行時(shí)間通過(guò)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)間片輪