嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與學(xué)習心得體會

μC/OS嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用和學(xué)習心得μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步(信號量，郵箱，消息隊列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。它是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSII的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，包括很多領(lǐng)域，如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管理局的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關(guān)的安全緊要系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。我們在學(xué)習μC/OS嵌入式實時操作系統(tǒng)時用的教科書是任哲編著的《嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理及應(yīng)用》，這本書介紹了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的任務(wù)管理和調(diào)度、系統(tǒng)時鐘和節(jié)拍服務(wù)、時間管理、中斷、任務(wù)的通信和同步、內(nèi)存的簡單管理原理，同時給出了實例。最后，還介紹了μC/OS-Ⅱ的移植方法。在多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負責管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負責任務(wù)之間的通訊。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。之所以使用實時內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是因為實時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實時內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負荷，代碼空間增加ROM的用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。但更主要的是，每個任務(wù)要有自己的?？臻g，這一塊吃起內(nèi)存來是相當厲害的。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。μC/OS-Ⅱ有一個精巧的內(nèi)核調(diào)度算法,實時內(nèi)核精小，執(zhí)行效率高，算法巧妙,代碼空間很少，具有如下特點：只支持基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，不支持時間片輪循；64個優(yōu)先級,只能創(chuàng)建64個任務(wù),用戶只能創(chuàng)建56個任務(wù)；每個任務(wù)優(yōu)先級都不相同；不支持優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)；READY隊列通過內(nèi)存映射表實現(xiàn)快速查詢；效率非常高；支持時鐘節(jié)拍；支持信號量，消息隊列，事件控制塊，事件標志組，消息郵箱任務(wù)通訊機制；支持中斷嵌套，中斷嵌套層數(shù)可達255層，中斷使用當前任務(wù)的堆棧保存上下文；每個任務(wù)有自己的堆棧，堆棧大小用戶自己設(shè)定；支持動態(tài)修改任務(wù)優(yōu)先級；任務(wù)TCB為靜態(tài)數(shù)組，建立任務(wù)只是從中獲得一個TCB，不用動態(tài)分配，釋放內(nèi)存；任務(wù)堆棧為用戶靜態(tài)或者動態(tài)創(chuàng)建，在任務(wù)創(chuàng)建外完成，任務(wù)創(chuàng)建本身不進行動態(tài)內(nèi)存分配；任務(wù)的總個數(shù)（OS_MAX_TASKS）由用戶決定；0優(yōu)先級最高，63優(yōu)先級最低；有一個優(yōu)先級最低的空閑任務(wù),在沒有用戶任務(wù)運行的時候運行。任務(wù)的調(diào)度核心主要是在任務(wù)就緒表中查找具有最高優(yōu)先級別的就緒任務(wù)及實現(xiàn)任務(wù)切換，即將找到的的最高優(yōu)先級別的任務(wù)的“任務(wù)號”--->“當前任務(wù)的任務(wù)號OSPrioCur”；從OSTCBPrioTbl［］取出最高優(yōu)先級別任務(wù)的任務(wù)控制塊首地址--->“當前任務(wù)的任務(wù)控制塊指針OSTCBCur”，最后調(diào)用OS_TASK_SW（）完成現(xiàn)場切換（即將CPU的寄存器信息保存到當前正運行任務(wù)的私棧中，然后從待運行的高優(yōu)先級別的任務(wù)私棧中彈出原先保存寄存器信息到CPU）。時鐘節(jié)拍服務(wù)放到一個時鐘節(jié)拍任務(wù)中完成，通過采用啥希散列表機制來管理延時任務(wù)，每次時鐘節(jié)拍服務(wù)只需要處理極少數(shù)的延時任務(wù)，從而大大減少了時鐘節(jié)拍服務(wù)花費的時間，提高了系統(tǒng)的實時性。另外，在μC／OS系列RTOS中，時鐘節(jié)拍服務(wù)除了會跟蹤延時的任務(wù)，還會跟蹤那些指定了超時時限的等待任務(wù)。也就是說，當指定的超時時限結(jié)束時，即使任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，時鐘節(jié)拍服務(wù)也會使該任務(wù)恢復(fù)運行。uC/OS-II的時間管理是通過定時中斷來實現(xiàn)的，該定時中斷一般為10毫秒或100毫秒發(fā)生一次，時間頻率取決于用戶對硬件系統(tǒng)的定時器編程來實現(xiàn)。中斷發(fā)生的時間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個時鐘節(jié)拍。uC/OS-II要求用戶在定時中斷的服務(wù)程序中，調(diào)用系統(tǒng)提供的與時鐘節(jié)拍相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，例如中斷級的任務(wù)切換函數(shù)，系統(tǒng)時間函數(shù)。uC/OS-II中最多可以支持64個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級。63為最低級，系統(tǒng)保留了4個最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個最低優(yōu)先級的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個。還提供了任務(wù)管理的各種函數(shù)調(diào)用，包括創(chuàng)建任務(wù)，刪除任務(wù)，改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，任務(wù)掛起和恢復(fù)等。系統(tǒng)初始化時會自動產(chǎn)生兩個任務(wù)：一個是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，該任務(wù)僅給一個整形變量做累加運算；另一個是系統(tǒng)任務(wù)，它的優(yōu)先級為次低，該任務(wù)負責統(tǒng)計當前cpu的利用率。想使用在MCU上使用μC/OS-II則必須滿足以下幾個條件：①處理器C編譯器支持可重入代碼的生成；②用C語言可以打開和關(guān)閉中斷；③處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時中斷(中斷頻率通常設(shè)置在10～100Hz之間)；④處理器支持足夠的RAM空間，以滿足多任務(wù)環(huán)境下設(shè)置任務(wù)堆棧的要求；⑤處理器有相應(yīng)的指令,能將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼?nèi)存中。μC/OS-II代碼中大部分是用C語言寫的，但涉及到數(shù)據(jù)類型的重定義、堆棧結(jié)構(gòu)的設(shè)計、任務(wù)切換時狀態(tài)的保存和恢復(fù)等問題的大部分代碼由于與處理器有關(guān)，是用匯編語言實現(xiàn)的。移植所要做的工作，就是在不同的處理器上用匯編語言來改寫與處理器有關(guān)的代碼及其他與處理器特性相關(guān)的部分。在μC/OS-II移植過程中涉及以上問題的代碼都包含在文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM中。因此移植的主要工作也在源代碼的基礎(chǔ)上圍繞著這三個文件的改寫展開?？傊瑢W(xué)習μC/OS嵌入式實時操作系統(tǒng)首先得先了解整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),工作時的流程,比如任務(wù)1運行時如果有外部中斷會發(fā)生什么(調(diào)用中斷服務(wù)程序,把相應(yīng)的任務(wù)加如就緒列,內(nèi)核進行調(diào)度,就緒隊列中的最高優(yōu)先級的任務(wù)...)等，再對代碼進行具體的研究會比較容易。我們需熟知μC/OS嵌入式實時操作系統(tǒng)中的函數(shù)及其應(yīng)用，例如引起任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)函數(shù)有OSStart（）uCOS/II啟動；OSTaskSuspend（）掛起任務(wù)；OSTaskResume（）恢復(fù)任務(wù)；OSTimeDly()/OSTimeDlyHMSM()等待一個事件的發(fā)生等。只有在熟識系統(tǒng)運行的方式及可以引發(fā)其運行的函數(shù)的情況下我們才能較好的去運用它，用它來實現(xiàn)移植，從而達到我們的目的。學(xué)習實時操作系統(tǒng)，任哲編著的《嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ原理及應(yīng)用》這本書相對來說比較適合初學(xué)者，它篇幅適中，通俗易懂，若能結(jié)合北京航空航天大學(xué)《ucosii操作系統(tǒng)講義》就更加好了。正所謂讀書百遍，其義自現(xiàn)，通過對《北航》和《任哲》的資料不斷反復(fù)地學(xué)習和閱讀，我心中總算有些眉目