TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)微小內(nèi)核課件

第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)微小內(nèi)核5.1基礎(chǔ)知識5.2最簡單的多任務(wù)模型5.3協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)5.4時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)5.5信號量5.6消息郵箱第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)微小內(nèi)核5.1第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)本章說明：

操作系統(tǒng)（OS）是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理論教材比較抽象。本章所學(xué)內(nèi)容是從80C51單片機(jī)應(yīng)用出發(fā)，主要介紹一個(gè)基于80C51系列單片機(jī)，且全部使用C語言編寫的開源操作系統(tǒng)微小內(nèi)核——TinyOS51，其目的是幫助大家建立與操作系統(tǒng)有關(guān)的基本概念，如：任務(wù)，上下文與可重入性，任務(wù)的并發(fā)性與調(diào)度，以及信號量與消息郵箱的實(shí)現(xiàn)機(jī)理與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為今后深入學(xué)習(xí)專業(yè)級的操作系統(tǒng)與應(yīng)用技術(shù)做好鋪墊。2第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)本章說明：2第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1基礎(chǔ)知識5.1.1概述（介紹以下幾個(gè)基本概念）1、協(xié)作式與搶占式OS2、用戶任務(wù)（UserTask）與系統(tǒng)任務(wù)（SystemTask）

3、并發(fā)性（Concurrent）與調(diào)度（Scheduling）4、任務(wù)狀態(tài)5、任務(wù)之間的關(guān)系6、臨界資源（CriticalResources）與臨界區(qū)（CriticalSection）7、上下文切換（ContextSwitch）8、可重入性（Reentrant）

3第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1基礎(chǔ)知識第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、協(xié)作式與搶占式OS

在操作系統(tǒng)的發(fā)展過程中，先后有2種形式的多任務(wù)管理機(jī)制，即協(xié)作式與搶占式。

協(xié)作式：如果任務(wù)切換的時(shí)機(jī)完全取決于正在運(yùn)行的任務(wù)，那么這樣的操作系統(tǒng)就是協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)。即任務(wù)執(zhí)行時(shí)的權(quán)利比操作系統(tǒng)還大，只有等正在運(yùn)行的任務(wù)完成后，才會(huì)將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，此時(shí)才能執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。一旦某個(gè)任務(wù)運(yùn)行出錯(cuò)，則導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)掛起（Pending）。搶占式：如果任務(wù)優(yōu)先運(yùn)行的決定權(quán)取決于操作系統(tǒng)，而且即使有一個(gè)任務(wù)死掉，而系統(tǒng)仍能正常工作，那么這樣的操作系統(tǒng)就是搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)。4第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、協(xié)作式與搶占式O第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、用戶任務(wù)（UserTask）與系統(tǒng)任務(wù)（SystemTask）

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的透明性、可移植性和強(qiáng)壯性，常將一個(gè)應(yīng)用程序分解為許多“可執(zhí)行的程序單元”。在監(jiān)控模塊的管理下，以“實(shí)參”和“形參”形式完成各模塊之間的調(diào)用和返回。

當(dāng)使用操作系統(tǒng)時(shí)，如果將這些“可執(zhí)行的程序單元”進(jìn)行分類，即可得到在操作系統(tǒng)調(diào)度下的“用戶任務(wù)”。此時(shí)，任務(wù)之間的信息傳遞是通過“異步”的方式來完成，即由操作系統(tǒng)的各種“通信”機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，比如，信息量與消息郵箱等。

與上述任務(wù)不同，操作系統(tǒng)有自己的“系統(tǒng)任務(wù)”，比如，空閑任務(wù)等。5第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、用戶任務(wù)（Use第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、并發(fā)性（Concurrent）與調(diào)度（Scheduling）調(diào)度器是每個(gè)內(nèi)核的心臟，調(diào)度器提供決定何時(shí)執(zhí)行何任務(wù)的算法。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，當(dāng)有多個(gè)任務(wù)均處于就緒狀態(tài)時(shí)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以讓“一個(gè)已經(jīng)就緒的高優(yōu)先級任務(wù)”搶占另一個(gè)“正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)”的運(yùn)行權(quán)而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。如下圖所示，任務(wù)A運(yùn)行中，被任務(wù)B搶占而進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。它們的運(yùn)行時(shí)間有重疊部分，這種運(yùn)行方式稱之為“并發(fā)運(yùn)行”。6第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、并發(fā)性（Conc第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中，大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）內(nèi)核支持兩種普遍的調(diào)度算法：基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和時(shí)間輪詢式調(diào)度。7第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)在實(shí)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級“搶占式”的調(diào)度算法，就意味著一個(gè)“已經(jīng)就緒的高優(yōu)先級任務(wù)”可以剝奪另一個(gè)“正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)”的運(yùn)行權(quán)而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

如下圖所示：8第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)采用第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)

時(shí)間輪詢調(diào)度為每個(gè)任務(wù)提供同份額的cpu執(zhí)行時(shí)間。由于純粹的時(shí)間輪詢調(diào)度不能滿足實(shí)時(shí)性系統(tǒng)要求，取而代之的是基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度擴(kuò)充時(shí)間輪詢調(diào)度，即對同樣優(yōu)先級的任務(wù)使用時(shí)間片獲得相等的cpu分配時(shí)間，不同優(yōu)先級的具有搶占權(quán)。9第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)間第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)4、任務(wù)狀態(tài)無論用戶任務(wù)還是系統(tǒng)任務(wù)，在如何時(shí)候，每個(gè)任務(wù)至少包含：就緒（ready）、運(yùn)行（running）、阻塞（blocked）在內(nèi)的狀態(tài)。隨著實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)根據(jù)簡單的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)（FSM）邏輯，從一個(gè)狀態(tài)遷移到另一個(gè)狀態(tài)。雖然內(nèi)核可以定義多個(gè)任務(wù)狀態(tài)組，但典型的OS中至少有3個(gè)主要的狀態(tài)：就緒狀態(tài)；運(yùn)行狀態(tài)；阻塞狀態(tài)10第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)4、任務(wù)狀態(tài)10第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)就緒狀態(tài)：當(dāng)一個(gè)任務(wù)創(chuàng)立并準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核將其放入就緒狀態(tài)。但不能運(yùn)行，因?yàn)橛幸粋€(gè)更高優(yōu)先級的任務(wù)在執(zhí)行，內(nèi)核調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級決定哪個(gè)任務(wù)先遷移到運(yùn)行狀態(tài)，但處于就緒狀態(tài)的任務(wù)不能直接遷移到阻塞狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)：操作系統(tǒng)可讓處于運(yùn)行狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)暫停運(yùn)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一個(gè)處于就緒狀態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)，這樣正運(yùn)行的任務(wù)就從運(yùn)行狀態(tài)遷移到了就緒狀態(tài)。阻塞狀態(tài)：當(dāng)任務(wù)已經(jīng)請求一個(gè)還不能用的資源，或已經(jīng)請求等待某些事件的發(fā)生，或自身要延時(shí)一段時(shí)間，則任務(wù)都從運(yùn)行狀態(tài)遷移到阻塞狀態(tài)。如果沒有阻塞狀態(tài)，那么較低優(yōu)先級的任務(wù)將不能運(yùn)行；如果更高優(yōu)先級的任務(wù)沒有設(shè)置成阻塞狀態(tài)，則可能導(dǎo)致cpu處于饑餓狀態(tài)。11第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)就緒狀態(tài)：當(dāng)一個(gè)任務(wù)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)圖5.4任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)圖12第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)圖5.4任務(wù)執(zhí)行第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5、任務(wù)之間的關(guān)系由于內(nèi)存中可同時(shí)存在多個(gè)任務(wù)，且任務(wù)之間可能存在直接和間接的相互作用關(guān)系。直接作用只發(fā)生在相關(guān)任務(wù)之間，其相互之間的聯(lián)系是有意安排的，它們需要相互協(xié)作來共同完成一個(gè)任務(wù)。間接作用是指任務(wù)之間因?yàn)槟撤N中介（如共同使用同一設(shè)備）而發(fā)生了一定的關(guān)系，也就是說，它可以發(fā)生在相關(guān)任務(wù)之間，也可以發(fā)生在無關(guān)任務(wù)之間。從另一個(gè)角度來看任務(wù)間的相關(guān)關(guān)系，可以將任務(wù)之間的關(guān)系提煉為同步（Synchronization）與互斥（Exclusion）兩種。13第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5、任務(wù)之間的關(guān)系1第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)同步：任務(wù)間的同步是一種直接作用，任務(wù)同步是指系統(tǒng)中的多個(gè)任務(wù)之間存在某種時(shí)序關(guān)系，需要相互協(xié)作才能共同完成一個(gè)任務(wù)。比如，一個(gè)任務(wù)運(yùn)行到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，需要另一個(gè)任務(wù)為它提供消息，在未獲得消息之前，該任務(wù)處于阻塞狀態(tài)，獲得消息后被喚醒進(jìn)入就緒狀態(tài)。

任務(wù)互斥：任務(wù)間的互斥是一種間接作用，由于內(nèi)存中的多個(gè)任務(wù)要求共享某一資源，而有些資源必須互斥，因此各任務(wù)之間只能競爭使用這些資源。14第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)同步：14第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)6、臨界資源（CriticalResources）與臨界區(qū)（CriticalSection）從上面的分析可以看出，任務(wù)間的互斥涉及到共享資源的競爭使用，因此競爭使用這些資源的任務(wù)在執(zhí)行使用這些資源的程序時(shí)也會(huì)受到一定的限制，從而也就引出了臨界資源與臨界區(qū)的概念。（1）臨界資源在操作系統(tǒng)中，將一次只允許一個(gè)任務(wù)（中斷）使用的資源稱之為臨界資源。（2）臨界區(qū)在操作系統(tǒng)中將并發(fā)任務(wù)中訪問臨界資源的程序稱之為臨界區(qū)，臨界區(qū)也常叫做互斥區(qū)。15第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)6、臨界資源（Cri第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)7、上下文切換（ContextSwitch）當(dāng)硬件機(jī)制決定接受哪個(gè)中斷時(shí)，則當(dāng)前指令流暫停，轉(zhuǎn)而執(zhí)行一個(gè)上下文切換，而后cpu從執(zhí)行當(dāng)前指令流轉(zhuǎn)換到執(zhí)行另外的指令流。這種在中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行的替換指令集就是中斷服務(wù)程序。將被中止的任務(wù)的“上下文信息”保存到“堆?！敝校?dāng)任務(wù)在重新運(yùn)行時(shí)，則要將堆棧中的“上下文信息”在恢復(fù)到cpu的各個(gè)寄存器中，通過這樣的上下文切換，可實(shí)現(xiàn)cpu的“無縫”接續(xù)運(yùn)行。調(diào)度器從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)所開銷的時(shí)間則稱之為上下文切換時(shí)間。16第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)7、上下文切換（Co第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)圖5.5上下文切換示意圖17第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)圖5.5上下文切第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)8、可重入性（Reentrant）

由于任務(wù)的并發(fā)性，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)調(diào)用同一個(gè)函數(shù)的情況，如果一段程序可以被多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)被破壞，那么這樣的程序就是可重入的程序。一般來說具有可重入性的函數(shù)應(yīng)該只使用局部變量，因?yàn)楹瘮?shù)的局部變量保存在cpu內(nèi)部的寄存器或堆棧中，這樣調(diào)用同一個(gè)函數(shù)時(shí)不會(huì)發(fā)生沖突。如果函數(shù)一定要使用全局變量，那么必須對使用的全局變量進(jìn)行必要的保護(hù)。由此可見，C編譯器也應(yīng)該具有產(chǎn)生可重入代碼的能力。18第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)8、可重入性（Ree第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.2

<setjmp.h>頭文件與中止函數(shù)about()和退出函數(shù)exit()相比，初看起來，goto語句處理異常更可行，但是，goto語句只能在函數(shù)內(nèi)部跳轉(zhuǎn)，即不能從一個(gè)函數(shù)直接跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)函數(shù)。為此，標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫提供了setjmp()和longjmp()函數(shù)，setjmp()函數(shù)相當(dāng)于非局部標(biāo)號，longjmp()函數(shù)相當(dāng)于goto的作用，從而解決了從一個(gè)函數(shù)直接跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)函數(shù)的問題，即非局部跳轉(zhuǎn)。頭文件<setjmp.h>申明了這些函數(shù)及同時(shí)所需的jmp_buf數(shù)據(jù)類型。19第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.2<s第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、非局部遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)要實(shí)現(xiàn)非局部跳轉(zhuǎn)，都可以使用<setjmp.h>，該頭文件提供了以下必須的機(jī)制：jmp_buf是一個(gè)數(shù)組類型變量，可將它當(dāng)做“標(biāo)號”數(shù)據(jù)對象類型來看待，用于存放恢復(fù)調(diào)用環(huán)境所需要的上下文信息。

setjmp將程序的上下文信息保存到跳轉(zhuǎn)“緩沖區(qū)（jmp_buf類型的數(shù)組）”，當(dāng)稍后調(diào)用longjmp時(shí)，將保存在緩沖區(qū)中的上下文信息作為返回地點(diǎn)標(biāo)記；無論在何地調(diào)用longjmp，將恢復(fù)最后一次由setjmp調(diào)用保存在“緩沖區(qū)”中的上下文信息，實(shí)現(xiàn)非局部遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)。20第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、非局部遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)2第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、保存調(diào)用環(huán)境

下表所示的setjmp是C標(biāo)準(zhǔn)庫中的一個(gè)函數(shù)，setjmp使用jmp_buf類型數(shù)組environment變量來記錄現(xiàn)在的位置，即變量bp的當(dāng)前值、堆棧指針值(SP)和函數(shù)的返回地址addr15~addr0，供以后longjmp恢復(fù)該環(huán)境時(shí)使用。bp是在SDCC中定義的一個(gè)虛擬寄存器，用于簡化重入操作。21第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、保存調(diào)用環(huán)境第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)bp是在SDCC中定義的一個(gè)虛擬寄存器，用于簡化重入操作。書P186，對局部變量與bp做了描述說明以及在堆棧中的變化如下圖所示，可參考。22第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)bp是第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、jmp_buf由于jmp_buf主要用于保存當(dāng)前調(diào)用的上下文信息，為相應(yīng)的longjmp調(diào)用作為返回地點(diǎn)標(biāo)記，因此保存在緩沖區(qū)jmp_buf中的上下文信息，至少包括變量bp的當(dāng)前值、堆棧指針的當(dāng)前值（sp）、高8位和低8位返回地址addr15~addr0。其中的bp是在SDCC51中定義的一個(gè)虛擬寄存器，用戶不必關(guān)心變量bp的變化。23第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、jmp_buf第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)4、恢復(fù)調(diào)用環(huán)境longjmp也是C標(biāo)準(zhǔn)庫中的一個(gè)函數(shù)，longjmp表示回到跳轉(zhuǎn)緩沖區(qū)jmp_buf類型數(shù)組environment變量記錄的位置，恢復(fù)setjmp調(diào)用所保存的變量bp的當(dāng)前值、堆棧指針值

和函數(shù)的返回地址addr15~addr0，轉(zhuǎn)移到setjmp調(diào)用處繼續(xù)執(zhí)行。24第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)4、恢復(fù)調(diào)用環(huán)境第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)

盡管longjmp會(huì)導(dǎo)致程序轉(zhuǎn)移，但它和goto有所不同，其區(qū)別如下：

goto語句不能跳出C語言的當(dāng)前函數(shù)；

longjmp只能跳回曾經(jīng)到過的地方。與此同時(shí)，setjmp與longjmp必須協(xié)同工作，它們有嚴(yán)格的執(zhí)行順序，必須先調(diào)用setjmp，然后再調(diào)用longjmp，以恢復(fù)到先前被保存的“程序執(zhí)行點(diǎn)”。如果setjmp調(diào)用之前執(zhí)行了longjmp，則程序的執(zhí)行流程變得不可預(yù)見，從而導(dǎo)致程序崩潰而退出。25第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)盡管lo第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.3變量命名規(guī)則1、概述

變量命名使用類匈牙利命名法：變量名最多由三部分組成：作用域，類型，描述。作用域：變量的作用范圍，確定管理的有效范圍是在函數(shù)體外還是在函數(shù)體內(nèi)。類型：該變量的類型，使用小寫字母。如：整型等描述：完全準(zhǔn)確地描述出該變量所代表的事物。如：Max，Error，New等。26第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.3變量命第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、作用域

作用域是變量名字的第一部分，只有三種情況：局部變量、模塊內(nèi)全局變量、應(yīng)用程序全局變量，其定義見下表。27第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、作用域27第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、類型縮寫

類型是變量名字第二部分，使用縮寫形式，見表5.44、變量描述5、變量類型縮寫TinyOS51中定義了一些變量類型，見表5.5

28第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、類型縮寫28第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.4范例分析非局部跳轉(zhuǎn)控制范例——程序清單5.5（P190），說明了setjmp函數(shù)和longjmp函數(shù)的具體作用。

29第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.4范例分第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.5setjmp與longjmp的實(shí)現(xiàn)setjmp和longjmp是標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)與編譯器有很大關(guān)聯(lián)，且與硬件有密切的關(guān)系，所以它們往往都是由匯編語言編寫的。本書實(shí)例中，為了簡化這兩個(gè)函數(shù)，約定以下規(guī)則：限定SDCC51為小模式；限定SDCC51的integer和long庫被編譯成可重入的;限定SDCC51所有函數(shù)被編譯成可重入的；修改setjmp和longjmp的返回值為char；取消longjmp的第二參數(shù)，當(dāng)調(diào)用longjmp時(shí)，則讓setjmp的返回值始終為1；30第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1.5se第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、jmp_buf（TinyOS51中定義的變量類型，見表5.5）jmp_buf定義程序清單（setjmp.h）

30#define_SP_SIZE1//堆棧指針長度31#define_BP_SIZE_SP_SIZE//編譯器虛擬寄存器，用于重入32#define_RET_SIZE2//返回地址長度33typedefunsignedcharjmp_buf[_RET_SIZE+_SP_SIZE+_BP_SIZE];31第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)1、jmp_buf第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、setjmp的實(shí)現(xiàn)

setjmp就是將相應(yīng)的寄存器和返回地址保存到j(luò)mp_buf數(shù)組類型的jbBuf變量中，即保存的寄存器為變量bp的當(dāng)前值、堆棧指針的當(dāng)前值、高8位和低8位返回地址值。對于80C51單片機(jī)來說，由于調(diào)用函數(shù)是使用ACALL或LCALL指令來實(shí)現(xiàn)的，因此這些指令會(huì)將函數(shù)的返回地址保存在堆棧中。setjmp()定義詳見如下程序清單。32第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、setjmp的實(shí)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)

setjmp()定義(_setjmp.c)程序清單30externunsignedcharbp;//編譯器為簡化重入操作而定義的變量39charsetjmp(jmp_bufjbBuf)40{dataunsignedchar*pucBuf=(datavoid*)0;//指向上下文信息存儲(chǔ)位置的指針

pubBuf=(dataunsignedchar*)jbBuf;//將jbBuf數(shù)組的首地址賦給pucBuf*pucBuf++=bp//保存bp的當(dāng)前值*pucBuf++=SP//保存SP的當(dāng)前值*pucBuf++=*((dataunsignedcahr*)SP);//保存返回地址高8位*pucBuf=*((dataunsignedcahr*)((char)(SP-1)));//保存返回地址低8位

return()}33第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)見P192，下圖是setjmp()的執(zhí)行過程說明。34第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)見P192，下圖是s第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、longjmp的實(shí)現(xiàn)在setjmp()定義中，其存儲(chǔ)順序依次是bp、SP、返回地址高8位、低8位。，那么，longjmp()的定義就是按照上述順序恢復(fù)即可，最后函數(shù)返回1。

longjmp()定義(_longjmp.c)的程序清單見書P193.

35第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、longjmp的第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)見P193，下圖是longjmp()執(zhí)行過程說明。36第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)見P193，下圖是l第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2最簡單的多任務(wù)模型5.2.1兩任務(wù)切換模型兩任務(wù)是多任務(wù)最簡單的典型情況，而任務(wù)切換是學(xué)習(xí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如果搞清楚了兩個(gè)任務(wù)間的任務(wù)切換，那么也就搞清楚了多任務(wù)操作系統(tǒng)核心的基本原理。在源代碼層次，“任務(wù)”也是函數(shù)，所以很自然想到，可以使用setjmp()和longjmp()函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的切換。假設(shè)兩個(gè)任務(wù)已運(yùn)行起來，則任務(wù)間的切換模型見下圖，其切換程序流向及狀態(tài)機(jī)見下程序清單。37第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2最簡單的第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)兩任務(wù)切換模型圖示：38第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)兩任務(wù)切換模型圖示：第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.939第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.939第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.2待解決的問題1、如何讓任務(wù)互不干擾地運(yùn)行？

函數(shù)在運(yùn)行期間可能被中斷打斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序不改變80C51的內(nèi)部寄存器值，所以，中斷不會(huì)干擾任務(wù)的運(yùn)行。在源代碼層次，任務(wù)也是一個(gè)函數(shù)，任務(wù)正確運(yùn)行的條件與函數(shù)一致。2、如何讓任務(wù)運(yùn)行？兩個(gè)任務(wù)切換，必須要先執(zhí)行一個(gè)setjmp()函數(shù)，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)沒有任務(wù)存在，即先前也沒有執(zhí)行過一個(gè)setjmp()，即無法切換。為解決此矛盾，可在創(chuàng)建任務(wù)task1時(shí)，系統(tǒng)用另一個(gè)函數(shù)（假設(shè)為setTaskJmp()）模擬任務(wù)task1調(diào)用setjmp()函數(shù)，而事實(shí)上只要兩者執(zhí)行效果一致，即可。40第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.2待解決第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.3setTaskJmp()的實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)用setjmp()所做的工作如下：將返回地址壓人“任務(wù)堆棧”（即使用ACALL或LCALL指令），此時(shí)堆棧指針SP的值增加2；保存bp到任務(wù)上下文中；保存堆棧指針SP（指向任務(wù)堆棧）到任務(wù)上下文中；保存“返回地址”到任務(wù)上下文中。搞清楚任務(wù)調(diào)用setjmp()的工作，用setTaskJmp()來模擬實(shí)現(xiàn)setjmp()，其程序清單見P197-5.10。41第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.3set第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.4任務(wù)切換模型范例分析1、模型范例根據(jù)上面的分析，可以寫出任務(wù)切換模型的范例，詳見程序清單P197-5.11。2、堆棧分配每個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆棧，80C51的堆棧為idataunsignedchar類型數(shù)組。因此可通過定義對應(yīng)的全局變量來分配任務(wù)堆棧，程序5.11-29就是為兩個(gè)任務(wù)分配了堆棧空間。同時(shí)，在系統(tǒng)調(diào)用setTaskJmp()函數(shù)時(shí)，還需要指定對應(yīng)任務(wù)的堆棧。42第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.2.4任務(wù)切第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、切換任務(wù)

通過上述分析，可以畫出完整的兩任務(wù)切換圖如下,程序清單5.11的切換程序流向及狀態(tài)詳見程序清單5.12

.43第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)3、切換任務(wù)43第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1244第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.1244第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)（TinyOS51V1.0）5.3.1整體規(guī)劃1、內(nèi)核API現(xiàn)代操作系統(tǒng)不再使用協(xié)作式多任務(wù)管理機(jī)制，但作為學(xué)習(xí)還是有意義的，下面通過調(diào)用SDCC編譯器提供的setjmp()和longjmp()函數(shù)，來編寫一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)切換的協(xié)作式操作系統(tǒng)——TinyOS51V1.0，以此介紹協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。45第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3協(xié)作式多第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)僅有內(nèi)核是不夠的，還需要各種應(yīng)用程序才能完成相應(yīng)的功能，所以TinyOS51必須具備創(chuàng)建任務(wù)的功能，tnOsTaskCreate()的作用就是創(chuàng)建任務(wù)，該函數(shù)可以在調(diào)用tnOsInit()函數(shù)后任何時(shí)候調(diào)用，但在調(diào)用tnOsStart()函數(shù)之前至少調(diào)用一次，見下表。46第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)操作第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)退出運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，則必須釋放占有的資源，以便讓其他任務(wù)使用。因此，TinyOS51必須具備刪除自身任務(wù)和其他任務(wù)的功能，tnOsTaskDel()函數(shù)的作用就是刪除任務(wù)，見下表。47第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)任務(wù)運(yùn)行一段時(shí)間后，可以主動(dòng)放棄控制權(quán)，讓下一個(gè)任務(wù)運(yùn)行，這是通過調(diào)度程序來實(shí)現(xiàn)的，TinyOS51必須具備任務(wù)切換功能，tnOsSched()函數(shù)的作用就是實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，該函數(shù)必須在任務(wù)中調(diào)用，而且每個(gè)任務(wù)都必須周期性的調(diào)用它，見下表。48第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)任第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)從驅(qū)動(dòng)到創(chuàng)建任務(wù)的過程中，操作系統(tǒng)需要做很多的準(zhǔn)備工作，這些都是由初始化引導(dǎo)程序完成的，在嵌入式系統(tǒng)中，這些工作可以由main()函數(shù)來完成。在TinyOS51中提供了2個(gè)供用戶調(diào)用的函數(shù)，一個(gè)是初始化TinyOS51內(nèi)部變量的函數(shù)tnOsInit()，這個(gè)函數(shù)必須在其他函數(shù)之前調(diào)用，并只能調(diào)用一次，見下表。另一個(gè)是啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境的函數(shù)tnOsStart()，并執(zhí)行第一個(gè)任務(wù)。在調(diào)用此函數(shù)之前必須創(chuàng)建至少一個(gè)任務(wù)，該函數(shù)不能重復(fù)調(diào)用，且該函數(shù)不返回，見下表。49第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、資源配置與示例

TinyOS51對任務(wù)最大數(shù)沒有限制，但由于任務(wù)需要占用內(nèi)部有限的idata資源，同時(shí)為了保護(hù)可重入函數(shù)的變量，還將占用更多的堆棧，所以可支持的任務(wù)數(shù)目實(shí)現(xiàn)上是有限的。根據(jù)實(shí)現(xiàn)情況，TinyOS51的最大任務(wù)數(shù)以3~4最為合適，OS資源配置代碼如下：

程序清單（tiny_os_51_cfg.h）

37#defineTN_OS_MAX_TASKS2//最大任務(wù)數(shù)目一個(gè)簡單的測試用例的程序清單見5.14（P202）。50第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、資源配置與示例5第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.2任務(wù)控制塊TCB（TaskControlBlock）1、任務(wù)的識別

對于RTOS來說，它為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)稱為“任務(wù)控制塊的結(jié)構(gòu)體變量”來管理任務(wù)的，即使用“任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)體變量的指針”來識別任務(wù)。每個(gè)指針占用3個(gè)字節(jié)，開銷較大。

任務(wù)控制塊是多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，為了避免用戶任務(wù)“意外”修改任務(wù)控制塊，則這個(gè)指針不應(yīng)當(dāng)提供給用戶程序。TinyOS51不使用任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)體指針方法來識別任務(wù)，主要是為了節(jié)省MCU內(nèi)的RAM。51第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.2任務(wù)控第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)最好的方法，為每個(gè)任務(wù)建立一個(gè)“任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)體類型數(shù)組”，將任務(wù)的完整信息保存到這個(gè)數(shù)組中，然后通過數(shù)組_GtcbTasks[]的下標(biāo)來識別任務(wù)。由此可見，下標(biāo)就是識別任務(wù)的字符型整數(shù)，下標(biāo)又俗稱為句柄(Handle)，任務(wù)句柄的定義如下：程序清單5.15任務(wù)句柄的定義(tiny_os_51.h)31typedefcharTN_OS_TASK_HANDLE;52第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)最好第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、任務(wù)控制塊

當(dāng)一個(gè)任務(wù)創(chuàng)立并準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核將其放入就緒狀態(tài)。任務(wù)一旦運(yùn)行完畢，則立即刪除，從而釋放內(nèi)存資源。因此要設(shè)立一個(gè)任務(wù)狀態(tài)字“ucTaskStat”來管理任務(wù)所處狀態(tài)，如圖。任務(wù)狀態(tài)字的定義如下：

程序清單5.16任務(wù)狀態(tài)字(tiny_os_51_core.c)31#define_TN_TASK_FLG_DEL0X00//任務(wù)被刪除32#define_TN_TASK_FLG_RDY0X01//任務(wù)就緒53第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、任務(wù)控制塊第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)上下文信息：當(dāng)一個(gè)任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的控制權(quán)，從而允許下一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，則此時(shí)必須保存該任務(wù)的上下文信息，當(dāng)操作系統(tǒng)決定再次運(yùn)行該任務(wù)時(shí)，可通過釋放上下文信息就可以讓該任務(wù)再次運(yùn)行。在TinyOS51中，上下文信息保存在jmp_buf數(shù)組類型的jbTaskContext變量中，而jmp_buf是在<setjmp.h>C語言標(biāo)準(zhǔn)頭文件中定義的。一個(gè)示例見程序清單5.17（P204）54第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)上下文信息：54第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.3內(nèi)部變量初始化我們知道單片機(jī)需要初始化，其實(shí)，TinyOS51也需要初始化，當(dāng)初始化時(shí)還沒有任務(wù)存在，因此必須將所有的任務(wù)控制塊初始化為一個(gè)“空白表”。因?yàn)門inyOS51只有知道當(dāng)前運(yùn)行的是哪個(gè)任務(wù)，才能在任務(wù)切換時(shí)決定下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)。由于用戶創(chuàng)建的第一個(gè)任務(wù)的句柄為0，所以系統(tǒng)開始運(yùn)行句柄為0的任務(wù)，因此，必須將用于追蹤當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)的句柄_GthTaskCur變量初始化為0。見程序清單5.18（P204）55第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.3內(nèi)部變第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.4創(chuàng)建任務(wù)（TaskCreate）

如果一個(gè)程序需要運(yùn)行，必須要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)與之對應(yīng)的任務(wù)，才能在內(nèi)存中運(yùn)行。一個(gè)任務(wù)可以在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前（即調(diào)用tnOsStart()）創(chuàng)建，也可以在其他任務(wù)的執(zhí)行過程中創(chuàng)建，但任務(wù)不能由中斷程序來創(chuàng)建，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)原型為：TN_OS_TASK_HANDLEtnOsTaskCreate（void(*pfuncTask)（void），idataunsignedchar*pucStk）舉例：unOsTaskCreate（task0，_GuctaskStks[0]）;其中，task0為任務(wù)函數(shù)的入口地址，_GucTaskStks[0]為任務(wù)堆棧的位置。56第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.4創(chuàng)建任第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)針對任務(wù)的三種狀態(tài)模型，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)源代碼見程序清單5.19（P206），其創(chuàng)建任務(wù)的過程包括：（1）申請一個(gè)空白TCB：搜索一個(gè)空閑的TCB項(xiàng)，并分配給新任務(wù)，同時(shí)系統(tǒng)賦予它唯一的任務(wù)句柄thRt。（2）填充TCB：先保存新任務(wù)的上下文，將搜索到的TCB設(shè)置為就緒狀態(tài)，其返回值為就緒任務(wù)的任務(wù)句柄thRt。（3）空閑任務(wù)啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境之前，操作系統(tǒng)至少需創(chuàng)建一個(gè)用戶任務(wù)（低優(yōu)先級空閑任務(wù)）。當(dāng)多任務(wù)環(huán)境啟動(dòng)后，則表明多任務(wù)環(huán)境已經(jīng)建立，此時(shí)可以創(chuàng)建新的任務(wù)了.57第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)針第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.5啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境在操作系統(tǒng)中運(yùn)行第一個(gè)用戶任務(wù)的過程被稱之為“啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境”，由于用戶創(chuàng)建的第一個(gè)任務(wù)的句柄是0，所以系統(tǒng)開始運(yùn)行句柄為0的任務(wù)。TinyOS51是通過調(diào)用tnOsStart()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，由longjmp()函數(shù)執(zhí)行句柄為0的任務(wù),見程序清單5.20。

程序清單5.20啟動(dòng)OS（tiny_os_core.c）107voidtnOsStart（void）108{109longjmp(_GtcbTasks[0],jbTaskContext);//執(zhí)行0號任務(wù)110}58第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.5啟動(dòng)多第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.6任務(wù)切換（TaskSwitch）任務(wù)切換是指保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，并恢復(fù)需要執(zhí)行任務(wù)的上下文的過程。當(dāng)任務(wù)發(fā)生切換時(shí)，將當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的上下文保存到該任務(wù)的TCB中，然后從相應(yīng)的TCB中恢復(fù)下一個(gè)將要執(zhí)行的已就緒任務(wù)的上下文，若所有任務(wù)都處于未就緒狀態(tài)，則等待本任務(wù)直到就緒為止，相當(dāng)于一般操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)。這就是任務(wù)切換的設(shè)計(jì)思想。

TinyOS51的任務(wù)切換就是通過調(diào)用tnOsSched()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。任務(wù)切換見程序清單5.21（P207）59第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.6任務(wù)切第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.7刪除任務(wù)（TaskDelete）

當(dāng)刪除任務(wù)時(shí)，只需要將任務(wù)句柄告訴“刪除任務(wù)”函數(shù)，即可將對應(yīng)的任務(wù)刪除。一個(gè)任務(wù)既可以刪除別的任務(wù)，也可以刪除自身。刪除其他任務(wù)，只要將任務(wù)設(shè)置為不可運(yùn)行狀態(tài)即可；如果刪除自身，則需要將任務(wù)設(shè)置為不可運(yùn)行狀態(tài)，還要將CPU控制權(quán)交給另一個(gè)可運(yùn)行的任務(wù)，即進(jìn)行任務(wù)切換。

TinyOS51刪除任務(wù)的是通過調(diào)用tnOsTaskDel()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，見刪除任務(wù)程序清單5.22（P208）60第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.7刪除任第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.8小結(jié)

5.3節(jié)介紹的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)僅僅是為了入門學(xué)習(xí)之用，實(shí)際上，搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)已經(jīng)成為商業(yè)化實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的主流。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，并非選用最好的操作系統(tǒng)，而恰到好處的、性價(jià)比高的操作系統(tǒng)才是最佳選擇。下節(jié)5.4將介紹“TinyOS51V1.1時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)”。61第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.3.8小結(jié)6第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)（TinyOS51V1.1）5.4.1概述不同的操作系統(tǒng)內(nèi)核使用了不同“調(diào)度算法”來決定什么時(shí)候運(yùn)行那個(gè)任務(wù)（即調(diào)度），而事實(shí)上協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)沒有調(diào)度算法的，它由任務(wù)自己來決定何時(shí)調(diào)度。一般來說，操作系統(tǒng)的單獨(dú)算法主要有3類：時(shí)間片輪詢（Time-slicePolling）優(yōu)先級（Priority）帶優(yōu)先級的時(shí)間片輪詢調(diào)度算法62第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4時(shí)間片輪第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)間片輪詢調(diào)度算法：在分時(shí)系統(tǒng)中，一般采用“時(shí)間片輪詢”調(diào)度算法，這是一種絕對公平的思想策略。首先將MCU的執(zhí)行時(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間片，然后讓處于就緒狀態(tài)的任務(wù)，按順序輪流占有MCU。當(dāng)時(shí)間片用完時(shí)，即使任務(wù)沒有執(zhí)行完畢，則系統(tǒng)也會(huì)無情地剝奪該任務(wù)使用MCU的權(quán)利。63第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)間片輪詢調(diào)度算法：第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)先級調(diào)度算法：

為了滿足任務(wù)的緊迫性和重要性，將任務(wù)劃分為不同等級區(qū)別對待，優(yōu)先級高的先執(zhí)行，優(yōu)先級低的后執(zhí)行，且優(yōu)先級高的任務(wù)可以暫停正在執(zhí)行的優(yōu)先級低的任務(wù)，當(dāng)優(yōu)先級高的任務(wù)執(zhí)行完畢后，在繼續(xù)執(zhí)行暫停的優(yōu)先級低的任務(wù)。對于同優(yōu)先級的任務(wù)，則使用時(shí)間片輪詢調(diào)度算法。如果要求所有任務(wù)的優(yōu)先級必須不同，這就是“完全基于優(yōu)先級的調(diào)度算法”。64第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)先級調(diào)度算法：64第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)帶優(yōu)先級的時(shí)間片輪詢調(diào)度算法：

當(dāng)今的商業(yè)社會(huì)，企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)利益的最大化，常常為優(yōu)先級高的客戶提供更多的服務(wù)，為優(yōu)先級低的客戶提供相對較少的服務(wù)。。

帶優(yōu)先級的時(shí)間片輪詢調(diào)度算法就像企業(yè)對待客戶一樣，將任務(wù)劃分為優(yōu)先級(等級)，對優(yōu)先級高的任務(wù)可以分配更大的時(shí)間片，對優(yōu)先級低的任務(wù)則分配較少的時(shí)間片，同時(shí)也讓所有任務(wù)都得到執(zhí)行。

此算法的操作系統(tǒng)中,有2種情況下進(jìn)行任務(wù)切換:任務(wù)主動(dòng)請求調(diào)度分配給任務(wù)的時(shí)間片已到65第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)帶優(yōu)先級的時(shí)間片輪詢第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)時(shí)間片的切換：對于不是任務(wù)主動(dòng)放棄CPU控制權(quán)而進(jìn)行的任務(wù)調(diào)度，就是搶占式任務(wù)調(diào)度。事實(shí)上，所有的操作系統(tǒng)都是使用一個(gè)周期性的中斷來管理時(shí)間片的，在這個(gè)中斷服務(wù)程序中判斷任務(wù)是否用完自己的時(shí)間片。除了協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)外，其他的多任務(wù)操作系統(tǒng)都只在2個(gè)時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)切換，即任務(wù)主動(dòng)調(diào)用OS提供的函數(shù)時(shí)，或中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí)。66第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)時(shí)間片的切換：6第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.2整體規(guī)則1、內(nèi)核API

在協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)中，如果其中一個(gè)任務(wù)死掉，則可能造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰。為了克服TinyOS51V1.0這個(gè)缺點(diǎn)，在TinyOS51V1.1上添加了最簡單的時(shí)間片輪詢多任務(wù)調(diào)度算法，“在每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中斷時(shí)調(diào)度”，即每次分配給任務(wù)的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)都是一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。TinyOS51V1.1為時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此用戶不在使用任務(wù)切換函數(shù)，它僅提供給內(nèi)核使用，并更換為_tnOsSched()。下表為新增的延時(shí)函數(shù)和用戶中斷函數(shù)。程序范例見5.23（P211）67第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.2整體規(guī)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)68第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)68第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.3任務(wù)控制塊由于TinyOS51V1.1新增了任務(wù)延時(shí)服務(wù)功能，因此，必須在TCB中增加一個(gè)記錄任務(wù)延時(shí)時(shí)間的成員uiTicks，新的TCB關(guān)聯(lián)圖見下5.13，如果uiTicks為0，說明任務(wù)已經(jīng)完成延時(shí)，則任務(wù)不需要等待。同時(shí)，在任務(wù)狀態(tài)字中也需要增加一個(gè)用于指示當(dāng)前任務(wù)處于延時(shí)狀態(tài)的標(biāo)志_TN_TASK_FLG_DLY,

詳見程序清單5.24（P212）69第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.3任務(wù)控第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.4內(nèi)部變量初始化由于TCB增加了一個(gè)uiTicks，因此必須初始化，詳見程序清單5.25（P212）。5.4.5創(chuàng)建任務(wù)

對于時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)來說，在時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)的最后，可能會(huì)發(fā)生任務(wù)切換。而時(shí)鐘節(jié)拍中斷可能發(fā)生在如何時(shí)候，而此時(shí)系統(tǒng)切換到另一個(gè)任務(wù)也想創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)，此時(shí)兩個(gè)任務(wù)的句柄是一樣的，且占用一個(gè)任務(wù)控制塊，勢必引起系統(tǒng)混亂，因此在創(chuàng)建任務(wù)的過程中必須禁止任務(wù)切換，那么最簡單的方法就是“先禁止中斷，然后再允許中斷”。創(chuàng)建任務(wù)程序清單5.26（P231）。70第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.4內(nèi)部變第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.6啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境在TinyOS51V1.1中，如果不允許中斷，則時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序不會(huì)運(yùn)行,因此在啟動(dòng)操作系統(tǒng)時(shí),必須增加允許中斷的代碼,見程序清單5.27（P214）。5.4.7任務(wù)調(diào)度與V1.0版本比較，TinyOS51V1.1版本將tnOsSched()函數(shù)更名為_tnOsSched(),增加了“禁止中斷和允許制度”代碼，并僅供內(nèi)核調(diào)用，詳見程序清單5.28（P214）。71第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.6啟動(dòng)多第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.8時(shí)鐘節(jié)拍中斷

大多數(shù)操作系統(tǒng)的“延時(shí)管理和在中斷服務(wù)程序中的任務(wù)切換”功能，分別是用兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。由于TinyOS51V1.1是純粹的時(shí)間片輪詢多任務(wù)操作系統(tǒng)，除了在“timer0ISR()時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序”中切換任務(wù)外，在其他的中斷服務(wù)程序中不作任務(wù)切換操作，所以將“延時(shí)管理(程序清單5.29(241~248))”與“在中斷服務(wù)程序中的任務(wù)切換(程序清單5.29(241~248))”功能，寫在tnOsTimeTick()時(shí)鐘節(jié)拍處理函數(shù)中，見程序清單5.29（P215）72第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.8時(shí)鐘節(jié)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.9longjmplnlsr()

該函數(shù)原型為：longjmpInIsr（jmp_bufjbBuf）_nakedlongjmpInIsr()使用了關(guān)鍵字_naked，這是與longjmp的不同之處，在TinyOS51中則說明此函數(shù)是無保護(hù)函數(shù)，即禁止編譯器為函數(shù)生成開始和結(jié)尾代碼。實(shí)際上它意味著函數(shù)的這部分代碼必須使用內(nèi)嵌匯編來寫，在這里主要是為“RETI”指令準(zhǔn)備的。由于longjmpInIsr()函數(shù)是無保護(hù)函數(shù)，因此其返回值必須由用戶自己來處理，longjmpInIsr()定義詳見程序清單5.30（P217）。73第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.9lon第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.10任務(wù)延時(shí)在無操作系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用軟件的空循環(huán)來實(shí)現(xiàn)延時(shí)，由于CPU完全處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此大大降低了CPU的效率。為了提高CPU的使用效率，大部分操作系統(tǒng)都提供了延時(shí)服務(wù)。即當(dāng)任務(wù)處于延時(shí)期間，而其他的任務(wù)仍可繼續(xù)進(jìn)行，TinyOS51V1.1也提供了任務(wù)延時(shí)服務(wù)。詳見任務(wù)清單5.32(P218)最好的方法是設(shè)置一個(gè)“周期性的中斷”，然后用這個(gè)“中斷服務(wù)程序”來記錄當(dāng)前任務(wù)的剩余延時(shí)時(shí)間。

TinyOS51V1.1的時(shí)鐘節(jié)拍中斷timer0JSR()調(diào)用tnOsTimeTick()函數(shù)來記錄當(dāng)前任務(wù)的剩余時(shí)間。74第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.10任務(wù)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.11刪除任務(wù)tnOsTaskDel()刪除任務(wù)函數(shù)詳見程序清單5.33,與V1.0版本比較，TinyOS51V1.1版本在tnOsTaskDel()函數(shù)中增加了2部分：由于TCB增加了一個(gè)uiTasks，所以必須初始化禁止中斷和允許中斷75第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.4.11刪除第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5信號量（TinyOS51V1.2）5.5.1概述1、信號量(Semaphore)

在任務(wù)共享同一個(gè)地址空間的系統(tǒng)中，任務(wù)可以通過全局變量傳遞數(shù)據(jù)信息。而在一些多任務(wù)操作系統(tǒng)中，由于不同的任務(wù)可能占用不同的地址空間，所以一個(gè)任務(wù)不能直接訪問另一個(gè)任務(wù)定義的變量，因此也就不能使用全局變量了。

通常是采用鐵路信號燈控制機(jī)制的方法，即在多個(gè)相互合作的任務(wù)之間使用簡單的信號來同步，也就是通過簡單的信號量讓多個(gè)任務(wù)進(jìn)行某種形式的合作。

76第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5信號量第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、計(jì)數(shù)型信號量

在嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)達(dá)到高效處理和快速響應(yīng)的目的，大量采用“事件驅(qū)動(dòng)”的方式來編寫任務(wù)，而事件可能是外部的，也可能是內(nèi)部的比如：一個(gè)任務(wù)給另一個(gè)任務(wù)發(fā)送信號量或消息，于是將用于任務(wù)之間同步和通信的“信號量、信息郵箱”等稱之為“事件”。

信號量如同通行證，任務(wù)要運(yùn)行就必須先拿到通行證，如果信號量已被其他的任務(wù)所占用，那么，該任務(wù)只能被掛起，直到信號量被當(dāng)前使用者釋放為止。77第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)2、計(jì)數(shù)型信號量7第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.2整體規(guī)劃

1內(nèi)核API針對8051單片機(jī)，在引入信號量后,規(guī)劃TinyOS51時(shí)必須節(jié)省RAM，具體如下：由用戶代碼來定義“信號量類型變量”，其定義在idata中，這樣無需刪除信號量函數(shù)。將任務(wù)本身等待的事件保存到TCB中，用指向等待事件的指針pvEvent來記錄。為了便于返回以負(fù)數(shù)表示的錯(cuò)誤狀態(tài)，信號量計(jì)數(shù)值可保存在一個(gè)有符號數(shù)char類型字節(jié)變量中，其計(jì)數(shù)范圍為0~127。由于信號量屬于一種事件，因此TinyOS51規(guī)劃了事件的返回值，詳見程序清單5.34（P220）78第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.2整體規(guī)第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)信號量的標(biāo)準(zhǔn)操作包括創(chuàng)建信號量(初始化),獲取信號量和發(fā)送信號量,分別見下表。2資源配置與示例

使用信號量必須注意：先創(chuàng)建，后使用，使用范例獎(jiǎng)程序清單5.35（P221）79第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)信號第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)80第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)80第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.3任務(wù)控制塊任務(wù)在同一時(shí)刻只能等待一個(gè)事件，因此可以用指向等待事件的指針pvEvent指示任務(wù)正在等待那個(gè)具體的事件，并通過掃描所有TCB的pvEvent成員，即可獲得等待信號量的任務(wù)列表。任務(wù)控制塊成員結(jié)構(gòu)示意圖見5.15，相關(guān)程序清單5.36（P222）81第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.3任務(wù)控第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.4內(nèi)部變量初始化由于TCB增加了一個(gè)pvEvent，必須初始化，詳見程序清單5.37（P223）

5.5.5信號量的定義

信號量不在包含等待任務(wù)列表，只包含信號量的值，詳見信號量定義程序清單5.38（P224）5.5.6創(chuàng)建信號量

在使用一個(gè)信號量之前,必須先調(diào)用“創(chuàng)建信號量”函數(shù)來創(chuàng)建這個(gè)信號量，而信號量的建立實(shí)際上就是對信號量進(jìn)行初始化。見程序清單5.39（P225）82第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.4內(nèi)部變第5章TinyOS51嵌入式操作系統(tǒng)5.5.7獲得信號量獲得信號量又稱等待信號量、請求信號量或接收信號量，是信號量的一種基本操作。