二嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分析課件

1、C/OS-內(nèi)核結(jié)構(gòu)劉立本章給出C/OS-的主要結(jié)構(gòu)概貌l C/OS-是怎樣處理臨界段代碼的;l 什么是任務(wù)，怎樣把用戶的任務(wù)交給C/OS-;l 任務(wù)是怎樣調(diào)度的;l 應(yīng)用程序CPU的利用率是多少，C/OS-是怎樣知道的;l 怎樣寫中斷服務(wù)子程序;l 什么是時(shí)鐘節(jié)拍，C/OS-是怎樣處理時(shí)鐘節(jié)拍的;l C/OS-是怎樣初始化的，以及怎樣啟動(dòng)多任務(wù); 臨界段(Critical Sections)和其它內(nèi)核一樣，C/OS-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C/OS-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)內(nèi)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)

2、影響用戶系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)性。C/OS-努力使關(guān)中斷時(shí)間降至最短，但就使用C/OS-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。微處理器一般都有關(guān)中斷/開中斷指令，用戶使用的C語言編譯器必須有某種機(jī)制能夠在C中直接實(shí)現(xiàn)關(guān)中斷/開中斷地操作。某些C編譯器允許在用戶的C源代碼中插入?yún)R編語言的語句。這使得插入微處理器指令來關(guān)中斷/開中斷很容易實(shí)現(xiàn)。而有的編譯器把從C語言中關(guān)中斷/開中斷放在語言的擴(kuò)展部分。C/OS-定義兩個(gè)宏(macros)來關(guān)中斷和開中斷，以便避開不同C編譯器廠商選擇不同的方法來處理關(guān)中斷和開中斷。C/OS-中的這兩個(gè)宏調(diào)用分別是：OS_ENTER

3、_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。因?yàn)檫@兩個(gè)宏的定義取決于所用的微處理器，故在文件OS_CPU.H中可以找到相應(yīng)宏定義。每種微處理器都有自己的OS_CPU.H文件。 任務(wù) 一個(gè)任務(wù)通常是一個(gè)無限的循環(huán)，如程序清單所示。一個(gè)任務(wù)看起來像其它C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，但是任務(wù)是絕不會(huì)返回的。故返回參數(shù)必須定義成void。 void YourTask (void *pdata) (1) for (;) (2) /* 用戶代碼 */ 調(diào)用uC/OS-II的某種系統(tǒng)服務(wù): OSMboxPend(); OSQPend(); OSSemPend(); OSTa

4、skDel(OS_PRIO_SELF); OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); OSTimeDly(); OSTimeDlyHMSM(); /* 用戶代碼 */ 任務(wù)狀態(tài) 睡眠態(tài)（DORMANT）指任務(wù)駐留在程序空間之中，還沒有交給C/OS-管理，把任務(wù)交給C/OS-是通過調(diào)用下述兩個(gè)函數(shù)之一：OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()。當(dāng)任務(wù)一旦建立，這個(gè)任務(wù)就進(jìn)入就緒態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行。任務(wù)的建立可以是在多任務(wù)運(yùn)行開始之前，也可以是動(dòng)態(tài)地被一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)建立。如果一個(gè)任務(wù)是被另一個(gè)任務(wù)建立的，而這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于建立它的那個(gè)任務(wù)，則這個(gè)剛剛建立的任務(wù)將

5、立即得到CPU的控制權(quán)。一個(gè)任務(wù)可以通過調(diào)用OSTaskDel()返回到睡眠態(tài)，或通過調(diào)用該函數(shù)讓另一個(gè)任務(wù)進(jìn)入睡眠態(tài)。調(diào)用OSStart()可以啟動(dòng)多任務(wù)。OSStart()函數(shù)運(yùn)行進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。就緒的任務(wù)只有當(dāng)所有優(yōu)先級(jí)高于這個(gè)任務(wù)的任務(wù)轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)，或者是被刪除了，才能進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。正在運(yùn)行的任務(wù)可以通過調(diào)用兩個(gè)函數(shù)之一將自身延遲一段時(shí)間，這兩個(gè)函數(shù)是OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()。這個(gè)任務(wù)于是進(jìn)入等待狀態(tài)，等待這段時(shí)間過去，下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的、并進(jìn)入了就緒態(tài)的任務(wù)立刻被賦予了CPU的控制權(quán)。等待的時(shí)間過去以后，系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSTimeTick()使

6、延遲了的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)控制塊 一旦任務(wù)建立了，任務(wù)控制塊OS_TCBs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)，C/OS-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。OS_TCBs全部駐留在RAM中。任務(wù)建立的時(shí)候，OS_TCBs就被初始化了 所有的任務(wù)控制塊分為兩條鏈表，空閑鏈表和使用鏈表。任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)Struct os_tcb OS_STK *OSTCBStkPtr; struct os_tcb *OSTCBNext; struct os_tcb *OSTCBprev; OS_EVENT *

7、OSTCBEventPtr; void *OSTCBMsg; INT16U OSTCBDly;當(dāng)需要把任務(wù)延時(shí)若干時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)要用到這個(gè)變量 INT8U OSTCBStat; INT8U OSTCBPrio;任務(wù)優(yōu)先級(jí)。 INT8U OSTCBX, OSTCBY, OSTCBBitX, OSTCBBitY; OS_TCB加速任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)的過程事件控制塊的指針任務(wù)的狀態(tài)字空任務(wù)列表系統(tǒng)初始化時(shí)，所有任務(wù)控制塊被鏈接成空任務(wù)控制塊的單向鏈表為確定下次該哪個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行了，內(nèi)核調(diào)度器總是將OS_LOWEST_PR1O在就緒表中相應(yīng)字節(jié)的相應(yīng)位置1。是按以下規(guī)則給出的：當(dāng)OSRdyTbl0中的任何

8、一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第0位置1， 當(dāng)OSRdyTbl1中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第1位置1，當(dāng)OSRdyTbl2中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第2位置1，當(dāng)OSRdyTbl3中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第3位置1，當(dāng)OSRdyTbl4中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第4位置1， 當(dāng)OSRdyTbl5中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第5位置1，當(dāng)OSRdyTbl6中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第6位置1， 當(dāng)OSRdyTbl7中的任何一位是1時(shí)，OSRdyGrp的第7位置1 就緒表 每個(gè)任務(wù)被賦予不同的優(yōu)先級(jí)等級(jí)，從0級(jí)到最低優(yōu)先級(jí)OS

9、_LOWEST_PR1O，包括0和OS_LOWEST_PR1O在內(nèi)（見文件OS_CFG.H）。當(dāng)C/OS-初始化的時(shí)候，最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PR1O總是被賦給空閑任務(wù)idle task。注意，最多任務(wù)數(shù)目OS_MAX_TASKS和最低優(yōu)先級(jí)數(shù)是沒有關(guān)系的。用戶應(yīng)用程序可以只有10個(gè)任務(wù)，而仍然可以有32個(gè)優(yōu)先級(jí)的級(jí)別（如果用戶將最低優(yōu)先級(jí)數(shù)設(shè)為31的話）。每個(gè)任務(wù)的就緒態(tài)標(biāo)志都放入就緒表中的，就緒表中有兩個(gè)變量OSRedyGrp和OSRdyTbl。在OSRdyGrp中，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)分組，8個(gè)任務(wù)為一組。OSRdyGrp中的每一位表示8組任務(wù)中每一組中是否有進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。任務(wù)進(jìn)入就

10、緒態(tài)時(shí)，就緒表OSRdyTbl中的相應(yīng)元素的相應(yīng)位也置位。就緒表OSRdyTbl數(shù)組的大小取決于OS_LOWEST_PR1O(見文件OS_CFG.H)。當(dāng)用戶的應(yīng)用程序中任務(wù)數(shù)目比較少時(shí)，減少OS_LOWEST_PR1O的值可以降低C/OS-對(duì)RAM（數(shù)據(jù)空間）的需求量。 根據(jù)優(yōu)先級(jí)找到任務(wù)在就緒任務(wù)表中的位置每個(gè)任務(wù)的就緒狀態(tài)標(biāo)志都放入就緒表中（ready list）中，就緒表有兩個(gè)變量：OSRdyGrp、OSRdyTbl根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定就緒表從上面的計(jì)算我們可以得到:若第n位置1，則應(yīng)該與2n 相或。uC/OS中，把2n的n=0-7的8個(gè)值 先計(jì)算好存在數(shù)組OSMapTbl7中,也就是：OS

11、MapTbl0 =20=0 x1;OSMapTbl1 =21=0 x2; OSMapTbl7 =27=0 x80;根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定就緒表利用OSMapTbl，通過任務(wù)的識(shí)別號(hào)-優(yōu)先級(jí)prio來設(shè)置任務(wù)在就緒組和就緒表數(shù)組中相應(yīng)位置的數(shù)學(xué)式為：OSRdyGrp |=OSMapTblprio3;OSRdyTblprio3 |=OSMapTblprio & 0 x07;假設(shè)優(yōu)先級(jí)為12，1 100bOSRdyGrp |=0 x02；OSRdyTbl1 |=0 x10;根據(jù)就緒表確定最高優(yōu)先級(jí)通過OSRdyGrp值確定高3位，假設(shè)為0 x24=100 100b, - OSRdyTbl2 和OSRdyTb

12、l5，高優(yōu)先級(jí)為2通過OSRdyTbl2的值來確定低3位， 假設(shè)為0 x12=010 010b ，-第2個(gè)和第5個(gè)任務(wù)，取高優(yōu)先級(jí)第2個(gè)-17源代碼中使用了查表法查表法具有確定的時(shí)間，增加了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性，uC/OS中所有的系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間都是確定的High3 =OSUnMapTblOSRdyGrp;Low3 =OSUnMapTblOSRdyTblHigh3;Prio =(Hign33)+Low3;？為什么頻繁的使用查表法？請(qǐng)問OSUnMapTbl的來歷；INT8U const OSUnMapTbl = 0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,

13、 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, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 該處缺10排數(shù)據(jù)，請(qǐng)補(bǔ)充（下次課不上，為查資料時(shí)間，解決本道題目）;INT8U const OSUnMapTbl =

14、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, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0,

15、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, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,

16、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;C/OS-總是運(yùn)行進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那一個(gè)。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（Scheduler）完成的。任務(wù)級(jí)的調(diào)度是由函數(shù)OSSched()完成的。中斷級(jí)的調(diào)度是由另一個(gè)函數(shù)OSIntExt()完成的，這個(gè)函數(shù)將在以后描述。

17、OSSched()的代碼如程序清單。 void OSSched (void) INT8U y; OS_ENTER_CRITICAL(); if (OSLockNesting | OSIntNesting) = 0) (1) y = OSUnMapTblOSRdyGrp;(2) OSPrioHighRdy = (INT8U)(y 3) + OSUnMapTblOSRdyTbly);(2) if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) (3) OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy;(4) OSTCBHighRdy必須指向優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)

18、任務(wù)控制塊OS_TCB ,通過將以O(shè)SPrioHighRdy為下標(biāo)的OSTCBPrioTbl數(shù)組中的那個(gè)元素賦給OSTCBHighRdy來實(shí)現(xiàn)的 OSCtxSwCtr+; (5) OS_TASK_SW();完成實(shí)際上的任務(wù)切換 (6) OS_EXIT_CRITICAL();空閑任務(wù) C/OS-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)OSTaskIdle()永遠(yuǎn)設(shè)為最低優(yōu)先級(jí)，即OS_LOWEST_PRI0?？臻e任務(wù)OSTaskIdle()什么也不做，只是在不停地給一個(gè)32位的名叫OSIdleCtr的計(jì)數(shù)器加1，統(tǒng)計(jì)任務(wù)使用這個(gè)計(jì)數(shù)器以確定現(xiàn)行應(yīng)用軟件實(shí)際消

19、耗的CPU時(shí)間。程序清單是空閑任務(wù)的代碼。在計(jì)數(shù)器加1前后，中斷是先關(guān)掉再開啟的，因?yàn)?位以及大多數(shù)16位微處理器的32位加1需要多條指令，要防止高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)或中斷服務(wù)子程序從中打入。空閑任務(wù)不可能被應(yīng)用軟件刪除。void OSTaskIdle (void *pdata) pdata = pdata; for (;) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIdleCtr+; OS_EXIT_CRITICAL(); 程序清單 通知C/OS-，中斷服務(wù)子程序開始了.void OSIntEnter (void) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIntNesting+; OS_

20、EXIT_CRITICAL();時(shí)鐘節(jié)拍 時(shí)鐘節(jié)拍是一種特殊的中斷，操作系統(tǒng)的心臟。首先32位的整數(shù)OSTime加一。對(duì)任務(wù)列表進(jìn)行掃描，判斷是否有延時(shí)任務(wù)應(yīng)該處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，最后進(jìn)行上下文切換。任務(wù)的格式每個(gè)任務(wù)不能占用全部CPU的資源需要有等待，或延時(shí)等系統(tǒng)調(diào)用典型的一個(gè)無限循環(huán)。void mytask(void *pdata) for (;) do something;waiting;do something; 任務(wù)調(diào)度For example1 創(chuàng)建2個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)僅僅是進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)不同的時(shí)間片，不同優(yōu)先級(jí)void Task1(void) void Task2(void) while(1) while(1) blinkled1(); blinkled2();Task1Data+; Task2Data+; OSTimeDly(25); OSTimeDly(50); void main() sysinit(); OSInit (); OSTaskCreate ( Task1, (void *)&Task1Data, (void *)&Task1StkTASK_STK_SIZE,Task1prio); OSTaskCreate (Task2, (void *)&Task2Data, (void *)&Task2StkTASK_STK_SIZE,Task2prio)