嵌入式實時操作系統(tǒng)COS原理與實踐2

嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS原理與實踐教材：嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS分析與實踐電子工業(yè)出版社作者:盧有亮luyl@電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院精選課件引言：關(guān)于圖書

1.專業(yè)說明考慮到各專業(yè)讀者學(xué)習(xí)方向不同，有些已經(jīng)學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)原理，對一般的操作系統(tǒng)原理有一定的認識，有些電子專業(yè)的讀者并沒有深入學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)原理，另外有些讀者對C語言掌握的程度并不太高，因此本書采用由淺入深，層層推進的方在第一章給出實時操作系統(tǒng)的根底，為以后各章的學(xué)習(xí)打下根底，滿足未學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)的讀者，而學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)的讀者也要掌握本章的內(nèi)容，因為嵌入式實時操作系統(tǒng)有其個性。代碼的講解上在第2章任務(wù)管理的局部盡量詳盡，從第3章中斷和時間管理開始，因為讀者已經(jīng)具備了或提高了C語言的能力，對讀者已經(jīng)掌握的內(nèi)容就不贅述，但對新的難點仍給以詳盡解析精選課件

2.關(guān)于實踐實踐是檢驗真理的標準，所學(xué)的知識必須結(jié)合實際。除給出在基于NiosII的FPGA系統(tǒng)上移植，前面各章例子都是通過將μC/OS移植到PC中，在虛擬的平臺下運行μC/OS來得到印證。所有代碼都包含在VC的一個工程中，翻開工程文件就可以看到結(jié)構(gòu)清晰的源代碼，因此非常適合讀者學(xué)習(xí)。精選課件關(guān)于圖書

3學(xué)習(xí)什么通過本書的學(xué)習(xí)，應(yīng)能較為全面、深入的掌握嵌入式實時操作系統(tǒng)的根本原理，能夠讀懂讀通μC/OS的包括內(nèi)核、任務(wù)管理、時間和中斷管理、信號量管理、互斥信號量管理、事件標志組管理、消息郵箱管理、消息隊列管理、內(nèi)存管理的源代碼，能將μC/OS移植到不同平臺中去，并能在移植的過程中知其然又知其所以然，不會出現(xiàn)在沒有掌握μC/OS而強做移植時出現(xiàn)的困難和錯誤。精選課件關(guān)于圖書

4章節(jié)介紹第一章是操作系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)的根本原理，對于對原理掌握已經(jīng)比較好的有一定根底的讀者可以選擇跳過或略讀。第二章是任務(wù)管理，是根本內(nèi)容，需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和源代碼仔細體會。第三章是時間和中斷管理，時間管理包括一些函數(shù)，中斷管理主要是中斷的流程。第四章、第五章是事件和消息局部，包含了各種事件和消息機制。第六章是內(nèi)存管理。第七章是移植的流程分析和在虛擬平臺以及具有軟核的FPGA下的移植。精選課件5.先期知識學(xué)習(xí)本課程的先前知識是：C語言，匯編，簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？梢酝綄W(xué)習(xí)微機原理或單片機、DSP等。精選課件關(guān)于圖書：

6.PPT及軟件下載與視頻為方便讀者學(xué)習(xí)，在電子工業(yè)出版社網(wǎng)站提供可在VC下編譯的完整源代碼，包括例子程序的代碼。源代碼及PPT可在電子工業(yè)出版社網(wǎng)站://broadview/15441下載，以用于教學(xué)或?qū)W習(xí)目的。也可通過郵箱luyl@聯(lián)系筆者。讀者還可以到micrium網(wǎng)站下載μC/OS操作系統(tǒng)的源代碼及查找相關(guān)資料讀者還可以通過作者名或UCOS在百度視頻找到本書作者提供的的教學(xué)視頻〔時間有限做的不好請原諒〕精選課件感謝支持書上有路勤為徑學(xué)海無涯苦作舟購置本人圖書的朋友，請不吝發(fā)表評價和建議！在此表示感謝！精選課件關(guān)于μC/OS-II一.要高效的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，就離不開嵌入式操作系統(tǒng)，一方面，高實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的根本要求。另一方面，嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。二.μC/OS正是這樣的操作系統(tǒng)，它是高實時性，多任務(wù)的操作系統(tǒng)，且是源代碼對非商業(yè)用途開放的操作系統(tǒng)三.μC/OS適用于嵌入式開發(fā)，并已在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用并獲得認可。在百度上搜索ucos,得到的信息條數(shù)約1,250,000條。精選課件章節(jié)介紹第一章是操作系統(tǒng)和嵌入式實時操作系統(tǒng)的根本原理。第二章是任務(wù)管理，是根本內(nèi)容，需要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和源代碼仔細體會。第三章是時間和中斷管理，時間管理包括一些函數(shù)，中斷管理主要是中斷的流程。第四章、第五章是事件和消息局部，包含了各種事件和消息機制。第六章是內(nèi)存管理。精選課件第一章 實時操作系統(tǒng)根底1.1操作系統(tǒng)概述1.2實時操作系統(tǒng)概述 1.3任務(wù) 1.4基于優(yōu)先級的不可剝奪內(nèi)核1.5同步與通信精選課件1.1操作系統(tǒng)概述

1.1.1什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)OS〔OperatingSystem〕是裸機上的第一層軟件。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，是硬件的第一層封裝與抽象，在計算機系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，所有其他的系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件都依賴于操作系統(tǒng)的支持與效勞。除提供編程接口，操作系統(tǒng)還承擔(dān)著任務(wù)管理、事件管理和消息通信、CPU管理、內(nèi)存管理、IO管理等核心功能。精選課件1.1操作系統(tǒng)概述

1.1.2操作系統(tǒng)根本功能1.任務(wù)管理任務(wù)是程序的一次執(zhí)行。任務(wù)可以分為系統(tǒng)任務(wù)和用戶任務(wù)。系統(tǒng)任務(wù)是操作系統(tǒng)本身的任務(wù)，如操作系統(tǒng)的主程序，時鐘中斷效勞程序，如后面要講到的空閑任務(wù)和統(tǒng)計任務(wù)等。用戶任務(wù)是用戶應(yīng)用程序的運行，如用戶設(shè)計的計算器軟件的一次執(zhí)行或WORD軟件的運行，如本書中給出的一些用戶任務(wù)。這些任務(wù)都需要任務(wù)管理局部來管理。。2.CPU管理CPU管理的含義在于多任務(wù)OS對CPU的分配，也就是分配對CPU的所有權(quán)，簡單說，哪個軟件正在運行，占有CPU。可以把它歸入任務(wù)管理。3.內(nèi)存管理內(nèi)存是任務(wù)的生存空間。內(nèi)存管理用于給任務(wù)分配內(nèi)存空間，相應(yīng)的，在任務(wù)結(jié)束后釋放內(nèi)存空間。4.文件管理文件管理系統(tǒng)是實現(xiàn)對文件的統(tǒng)一管理，是對文件存儲器的存儲空間進行組織，分配和回收，負責(zé)文件的存儲，檢索，共享和保護。從用戶角度來看，文件系統(tǒng)主要是實現(xiàn)"按名取存"，文件系統(tǒng)的用戶只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而無需知道這些文件究竟存放在什么地方。

5.IO設(shè)備管理管理系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備，如打印機，顯示器，硬盤等。很明顯，用戶應(yīng)用程序應(yīng)該調(diào)用IO設(shè)備管理模塊提供的API來對設(shè)備進行操作，而不是直接讀寫硬件。精選課件2實時操作系統(tǒng)概述

實時操作系統(tǒng)RTOS〔RealTimeOperatingSystem〕是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接收并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。實時系統(tǒng)與非實時系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別就在于實時系統(tǒng)中的任務(wù)都有時間限制。1.2.1什么是實時操作系統(tǒng)精選課件2實時操作系統(tǒng)概述

1.實時操作系統(tǒng)首先是多任務(wù)操作系統(tǒng)。2.多級中斷機制。3.優(yōu)先級調(diào)度機制。1.2.1實時操作系統(tǒng)根本特征精選課件3任務(wù)

1.3.1任務(wù)任務(wù)是程序的動態(tài)表現(xiàn)，在操作系統(tǒng)中表達為線程，是程序的一次執(zhí)行過程。程序是靜止的，存在于ROM、硬盤等外部設(shè)備。任務(wù)是運動的，存在于內(nèi)存中，有睡眠、就緒、運行、阻塞、掛起等多種狀態(tài)。相同的程序的屢次執(zhí)行是可以的，就形成了多個優(yōu)先級不同的任務(wù)，每一個都是獨立的。在實時系統(tǒng)中，把應(yīng)用程序的設(shè)計過程分割為多個任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的優(yōu)先級，在操作系統(tǒng)的調(diào)度下協(xié)調(diào)運行。精選課件1.3任務(wù)

1.3.1多任務(wù)voidusertask(void*pParam){ INT8Ui=0; for(;;){ printf("%d\n",i); i++; OSTimeDly(100); }}精選課件1.3任務(wù)

1.3.1多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)中必然有多任務(wù)在執(zhí)行。其中有用戶任務(wù)，如前面的usertask，也有操作系統(tǒng)的系統(tǒng)任務(wù)如空閑任務(wù)和統(tǒng)計任務(wù)。多任務(wù)的運行相對于其他的系統(tǒng)，其優(yōu)點是可以大大提高CPU的利用率，又必然使應(yīng)用程序分成多個程序模塊，實現(xiàn)模塊化，應(yīng)用程序更易于設(shè)計和維護。在嵌入式應(yīng)用的場合的多任務(wù)使用的例子是在一個ARM采集處理系統(tǒng)中，同時采集16路信號，同時又要對多信號進行處理和傳輸，可以創(chuàng)立16個任務(wù)負責(zé)16路信號的采集，創(chuàng)立一個任務(wù)對信號進行處理，再創(chuàng)立一個任務(wù)負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。精選課件3任務(wù)

1.3.2多任務(wù)精選課件3任務(wù)

1.3.3任務(wù)狀態(tài)精選課件1.3任務(wù)

1.3.3任務(wù)狀態(tài)1.睡眠態(tài)任務(wù)已經(jīng)被裝入內(nèi)存了，可是并沒有準備好運行。例如上面給出的usertask代碼，以代碼的形式存在于內(nèi)存中，在調(diào)用OSTaskCreate〔任務(wù)創(chuàng)立函數(shù)〕創(chuàng)立之前，處于睡眠態(tài)。睡眠態(tài)的任務(wù)不會得到運行的，操作系統(tǒng)也不會給其設(shè)置為運行而準備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.就緒態(tài)當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)用OSTaskCreate創(chuàng)立一任務(wù)后，任務(wù)就進入就緒態(tài)。從圖1.4還可以看出，任務(wù)也可以從其他狀態(tài)轉(zhuǎn)到就緒態(tài)。處于就緒態(tài)的任務(wù)操作系統(tǒng)已經(jīng)為其運行配置好了任務(wù)控制塊等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)沒有比其更高優(yōu)先級的任務(wù)，或比其優(yōu)先級更高的任務(wù)處于阻塞狀態(tài)的時候，就能被操作系統(tǒng)調(diào)度而進入運行態(tài)。從就緒態(tài)到運行態(tài)，操作系統(tǒng)調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)完成。3.運行態(tài)任務(wù)真正占有CPU，得到運行。這時運行的代碼就是任務(wù)的代碼。如usertask。處于運行態(tài)的任務(wù)如果運行完成，就會轉(zhuǎn)為睡眠態(tài)。如果有更高優(yōu)先級的任務(wù)搶占了CPU，就會轉(zhuǎn)到就緒態(tài)。如果因為等待某一事件，例如等待一秒鐘的時間，如OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC)，需要暫時放棄CPU的使用權(quán)而讓其他任務(wù)得以運行，就進入了阻塞狀態(tài)。當(dāng)由于中斷的到來而使CPU進入中斷效勞程序〔ISR〕，必然使正在運行的任務(wù)放棄CPU而轉(zhuǎn)入中斷效勞程序，這時被中斷的程序就被掛起而進入掛起態(tài)。總之，任務(wù)要得到運行必須進入運行態(tài)，CPU只有一個不能讓每個任務(wù)同時進入運行態(tài)，進入運行態(tài)的任務(wù)有且只有一個。4.阻塞態(tài)阻塞對于操作系統(tǒng)的調(diào)度，任務(wù)的協(xié)調(diào)運行是非常重要的。我們能看到圖1.3的運行結(jié)果，而不是只有一個高優(yōu)先級的任務(wù)得到運行，就是因為usertask在沒有事情可做，等待一秒鐘的時候，不是強行運行代碼，而是把自己阻塞起來，使操作系統(tǒng)可以調(diào)度其他的任務(wù)。當(dāng)任務(wù)在等待某些還沒有被釋放的資源，等待一定的時間等時候，要阻塞起來，等到條件滿足的時候再重新回到就緒態(tài)，又能被操作系統(tǒng)調(diào)度以進入運行態(tài)，這是實時系統(tǒng)必須要實現(xiàn)的功能之一。一些不理解操作系統(tǒng)的同學(xué)在編程的時候，在等待的時候常常使用FOR循環(huán)，不停的執(zhí)行代碼而使CPU的利用率暴增，使系統(tǒng)的運行環(huán)境十分惡劣，甚至造成死機，是不可取的5.掛起態(tài)當(dāng)任務(wù)在運行時，因為中斷的發(fā)生，例如定時器中斷每個時鐘滴答〔clocktick,指每個時鐘周期〕中斷一次，而被剝奪CPU的使用權(quán)，而進入掛起態(tài)。在中斷返回的時候，假設(shè)該任務(wù)還是最高優(yōu)先級的，就恢復(fù)運行，如果不是這樣，只能回到就緒態(tài)。精選課件1.3任務(wù)

1.3.4任務(wù)切換任務(wù)切換就是contextswitch，是任務(wù)調(diào)度的重要局部。從字面上是上下文切換。任務(wù)切換是暫停一個任務(wù)的運行，運行另一個就緒的任務(wù)。暫停一個任務(wù)，以后又能恢復(fù)運行，必須考慮將這個任務(wù)運行的信息保存，而恢復(fù)運行的時候需要將這些信息恢復(fù)到運行環(huán)境。任務(wù)切換必須做環(huán)境的保存和恢復(fù)的操作。在操作系統(tǒng)移植的時候，任務(wù)切換代碼就是必須要實現(xiàn)的局部之一。精選課件1.3任務(wù)

1.3.5可重入和不可重入函數(shù)函數(shù)可重入是指一個函數(shù)可以被多個任務(wù)調(diào)用，而不需要擔(dān)憂在任務(wù)切換的過程中，代碼的執(zhí)行會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。如果函數(shù)被多個任務(wù)調(diào)用，可能產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，就是不可重入函數(shù)。例子：教材表1.4-1.5精選課件1.4內(nèi)核

1.4.1內(nèi)核內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心的局部，其主要功能就是進行任務(wù)調(diào)度。所謂調(diào)度，就是決定多任務(wù)的運行狀態(tài)，哪個任務(wù)應(yīng)該處于圖1.4中的哪種狀態(tài)。內(nèi)核中最最核心的根本效勞就是調(diào)度的核心——任務(wù)切換μC/OS使用的是一種基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核。精選課件1.4內(nèi)核

1.4.1基于優(yōu)先級的調(diào)度算法在μC/OS中，可以同時有64個就緒任務(wù)，每個任務(wù)都有各自的優(yōu)先級。優(yōu)先級用無符號整數(shù)來表示，從0到63，數(shù)字越大那么優(yōu)先級越低。μC/OS總是調(diào)度就緒了的，優(yōu)先級最高的任務(wù)獲得CPU的控制權(quán)，不管這個任務(wù)是什么，執(zhí)行什么樣的功能，也不管該任務(wù)是否已經(jīng)等了很久。精選課件1.4內(nèi)核

1.4.1不可剝奪和可剝奪內(nèi)核精選課件1.5同步和通信

1.5.1同步任務(wù)是獨立的，但是任務(wù)之間又有著各種各樣的關(guān)系，以成為一個整體，來完成某一項工作。有時候一個任務(wù)完成的前提是需要另一個任務(wù)給出一個結(jié)果，任務(wù)之間的這種制約性的合作運行機制叫做任務(wù)間的同步。例如，A任務(wù)實現(xiàn)計算功能，B任務(wù)輸出A任務(wù)計算的結(jié)果，然后循環(huán)運行。A任務(wù)和B任務(wù)就必須同步，否那么B任務(wù)輸出的可能不是A任務(wù)剛完成的結(jié)果，或那么B任務(wù)訪問結(jié)果時，A任務(wù)正在修改，因而輸出錯誤的結(jié)果。A和B就是必須進行同步的任務(wù)。精選課件1.5同步和通信

1.5.2互斥

前面的例子中，A和B兩個任務(wù)都要訪問計算結(jié)果這個共享資源，但是在A寫這個資源的同時，B必須等待，而不能在A寫到一半的時候結(jié)束A而讓B來讀，這樣會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。這樣的共享資源稱為臨界資源〔CriticalResource〕。這種訪問共享資源的排他性就是互斥。精選課件1.5同步和通信

1.5.3臨界區(qū)

每個任務(wù)中訪問共享資源的那段程序稱為臨界區(qū)〔CriticalSection〕，因為共享資源的訪問是要互斥的。在臨界區(qū)不允許任務(wù)切換，這是最根本的原那么。因為如果在訪問共享資源的時候進行任務(wù)切換，就可能發(fā)生前面提到的災(zāi)難性后果。因此，在進入臨界區(qū)訪問共享資源之前，采用關(guān)中斷，給調(diào)度器上鎖或使用信號量的方法，到達互斥的目的。訪問臨界區(qū)的例子精選課件1.5同步和通信

1.5.4任務(wù)事件

事件〔Event〕就是在操作系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的事情。例如任務(wù)被掛起、喚醒、創(chuàng)立等。μC/OS操作系統(tǒng)在處理任務(wù)的同步和通信等環(huán)節(jié)，大量的使用了事件這一概念，創(chuàng)立了事件控制塊這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以進行事件的管理。精選課件1.5同步和通信

1.5.5信號量在一個時刻，有些共享資源只可以被一個任務(wù)所占有，而有些可以被至多N個任務(wù)所共享。前一種共享資源就好比有一把鑰匙，鑰匙發(fā)出去了，得到鑰匙的任務(wù)可以訪問共享資源，其他請求該資源的任務(wù)必須等得到鑰匙的任務(wù)把鑰匙歸還。后者那么可以有N把鑰匙，如果N把鑰匙都發(fā)完了，第N+1個請求訪問共享資源的任務(wù)就必須等待。這些鑰匙就可以用信號量〔semaphore〕來表示。信號量標志了共享資源的有效可被訪問數(shù)量，于是要獲得共享資源的訪問權(quán)，就首先要得到信號量這把鑰匙。精選課件1.5同步和通信

1.5.5信號量信號量三種操作：1.建立〔create〕建立并初始化信號量，在一個事件塊里標志該信號，記錄該信號的量值，執(zhí)行的是給資源配鑰匙的操作。該操作的條件是系統(tǒng)中還有空余的事件塊。操作系統(tǒng)能處理的事件是有限的，任何的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都不能無限，尤其是在實時系統(tǒng)中。2.請求〔pend〕請求信號，如果還有鑰匙〔信號量大于0〕，就去領(lǐng)一把〔信號量--〕，執(zhí)行下去；如果沒有，就要把自己阻塞掉，因為不能執(zhí)行下去就不需要再占用珍貴的CPU。3.釋放〔post〕訪問資源的操作完成后就把鑰匙交回〔信號量++〕。這時，如果有等待該鑰匙的任務(wù)就緒，并比當(dāng)前任務(wù)有更高的優(yōu)先級，就執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。否那么，原任務(wù)在釋放信號量之后繼續(xù)執(zhí)行。精選課件1.5同步和通信

1.5.6互斥信號量互斥信號量是一種特殊的信號量，這不僅在于該信號量只有用于互斥資源的訪問，還在于使用互斥信號量管理需要解決的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。如系統(tǒng)中有三個任務(wù)分別是高優(yōu)先級、中優(yōu)先級和低優(yōu)先級的，當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級的任務(wù)在運行的時候訪問互斥資源，而中優(yōu)先級的任務(wù)運行的時候?qū)⑹沟蛢?yōu)先級的任務(wù)得不到運行而死抱著資源不放。這是高優(yōu)先級的任務(wù)開始運行的時候，必須等待中優(yōu)先級的任務(wù)運行完成，然后等低優(yōu)先級的任務(wù)訪問資源完成才行。如果在低優(yōu)先級的任務(wù)訪問資源過程中又有中優(yōu)先級任務(wù)運行，那么高優(yōu)先級的任務(wù)只有繼續(xù)等待。這種情況就是優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。精選課件1.5同步和通信

1.5.7事件標志組在信號量和互斥信號量的管理中，任務(wù)請求資源，如果資源未被占用就可繼續(xù)運行，否那么只能阻塞，等待資源釋放的事件發(fā)生。這種事件是單一的事件。如果任務(wù)要等待多個事件的發(fā)生，或多個事件中的某一個事件的發(fā)生就可以繼續(xù)運行，那么就應(yīng)該采用事件標志組管理。事件標志組管理的條件組合可以是多個事件都發(fā)生，也可以是多個事件中有任何一個事件發(fā)生。尤其特別的是，還可以是多個事件都沒有發(fā)生或多個事件中有任何一個事件沒有發(fā)生。精選課件1.5同步和通信

1.5.8消息郵箱和消息隊列郵箱(MailBox)很明顯是用于通信的，郵箱中的內(nèi)容一般是