uCOS-II 系統(tǒng)開發(fā)筆記

uC/OS-II是一個(gè)簡(jiǎn)潔、易用的基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。盡管它非常簡(jiǎn)單，但是它的確在很大程度上解放了我的開發(fā)工作。既然是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，那么一旦使用它，就會(huì)涉及到如何基于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的問題。

1、uC/OS-II的任務(wù)框架

void task_xxx(void *pArg)

{

/* 該任務(wù)的初始化工作 */

……

/* 進(jìn)入該任務(wù)的死循環(huán) */

while(1)

{

……

}

}

每個(gè)用戶的任務(wù)都必須符合事件驅(qū)動(dòng)的編程模型，即uC/OS-II的應(yīng)用程序都必須是“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。一個(gè)任務(wù)首先等待一個(gè)事件的發(fā)生，事件可以是系統(tǒng)中斷發(fā)出的，也可以是其它任務(wù)發(fā)出的，又可以是任務(wù)自身等待的時(shí)間片。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生了，任務(wù)再作相應(yīng)處理，處理結(jié)束后又開始等待下一個(gè)事件的發(fā)生。如此周而復(fù)始的任務(wù)處理模型就是“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。事件驅(qū)動(dòng)模型也涵蓋了中斷驅(qū)動(dòng)模型，uC/OS-II事件歸根結(jié)底來(lái)自三個(gè)方面：

(1)中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送的事件

(2)系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間到所引起的

(3)其它任務(wù)發(fā)送的事件。

其中“中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送的事件”就是指每當(dāng)有硬件中斷發(fā)生，那么中斷服務(wù)程序就會(huì)以事件的形式告訴任務(wù)，而等待該事件的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就會(huì)馬上得以運(yùn)行；“系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間到所引起的”事件其實(shí)也是硬件中斷導(dǎo)致的，那就是系統(tǒng)定時(shí)器中斷。而“其它任務(wù)發(fā)送的事件”則是由任務(wù)代碼自身決定的，這是完全的“軟事件”。不管“軟事件”還是“硬事件”，反正引起uC/OS-II任務(wù)切換的原因就是“事件”，所以用戶編寫應(yīng)用代碼的時(shí)候一定要體現(xiàn)出“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。

2、uC/OS-II的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

uC/OS-II的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配需要按照不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體分析。比如，對(duì)實(shí)時(shí)性要求越高的任務(wù)，則優(yōu)先級(jí)要越高。

3、uC/OS-II的軟件層次

uC/OS-II會(huì)直接操縱硬件，比如：任務(wù)切換代碼必然要保存和恢復(fù)CPU及協(xié)處理器的寄存器；uC/OS-II的內(nèi)核時(shí)基時(shí)鐘就需要硬件定時(shí)器的中斷。

BSP就是“板極支持包”，它包括基于uC/OS-II而開發(fā)的事件驅(qū)動(dòng)模型、支持多任務(wù)的驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序直接控制各個(gè)硬件模塊并利用uC/OS-II的系統(tǒng)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能，它們應(yīng)該盡量避免應(yīng)用程序直接操縱硬件和uC/OS-II內(nèi)核。BSP還應(yīng)該為應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的API，以達(dá)到軟件層次分明、應(yīng)用軟件代碼可復(fù)用的目的。

應(yīng)用程序就是用戶為具體應(yīng)用需要而開發(fā)的軟件，它必須符合uC/OS-II的編程模型，即“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。應(yīng)用程序還應(yīng)該盡量避免直接控制硬件和直接調(diào)用uC/OS-II系統(tǒng)函數(shù)、變量，一個(gè)完善的uC/OS-II系統(tǒng)是不需要應(yīng)用程序來(lái)針對(duì)具體硬件而設(shè)計(jì)的。也就是說，uC/OS-II必須擁有完備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而驅(qū)動(dòng)程序和BSP共同提供完備、標(biāo)準(zhǔn)的API。

4、uC/OS-II中使用互斥信號(hào)對(duì)象應(yīng)該注意

互斥信號(hào)對(duì)象(Mutual Exclusion Semaphore)簡(jiǎn)稱Mutex，是uC/OS-II的內(nèi)核對(duì)象之一，用于管理那些需要獨(dú)占訪問的資源，并使其適應(yīng)多任務(wù)環(huán)境。

創(chuàng)建每一個(gè)Mutex，都需要指定一個(gè)空閑的優(yōu)先級(jí)號(hào)，這個(gè)優(yōu)先級(jí)號(hào)的優(yōu)先級(jí)必須比所有可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都高！

uC/OS-II的Mutex實(shí)現(xiàn)原理大致如下：

當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)A申請(qǐng)并得到了Mutex，于是它獲得資源訪問權(quán)。如果此后有一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)B開始運(yùn)行(此時(shí)任務(wù)A已經(jīng)被剝奪)，而且也要求得到Mutex，系統(tǒng)就會(huì)把任務(wù)A的優(yōu)先級(jí)提高到Mutex所指定的優(yōu)先級(jí)。由于此優(yōu)先級(jí)高于任何可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，所以任務(wù)A會(huì)馬上獲得CPU控制權(quán)。一直到任務(wù)A釋放Mutex，任務(wù)A才回到它原有的優(yōu)先級(jí)，這時(shí)任務(wù)B就可以擁有該Mutex了。

應(yīng)該注意的是：當(dāng)任務(wù)A得到Mutex后，就不要再等待其它內(nèi)核對(duì)象(諸如：信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列、事件標(biāo)志等等)了，而應(yīng)該盡量快速的完成工作，釋放Mutex。否則，這樣的Mutex就失去了作用，而且效果比直接使用信號(hào)量(Sem)更糟糕！

雖然普通的信號(hào)量(Sem)也可以用于互斥訪問某獨(dú)占資源，但是它可能引起“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的問題。假設(shè)上面的例子使用的是Sem，當(dāng)任務(wù)A得到Sem后，那么任務(wù)C(假設(shè)任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)比A高，但比B低)就緒的話將獲得CPU控制權(quán)，于是任務(wù)A和任務(wù)B都被剝奪CPU控制權(quán)。任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)比B低，卻優(yōu)先得到了CPU！而如果任務(wù)A是優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)，那么它就要等到所有比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)都掛起之后才會(huì)擁有CPU，那么任務(wù)B(優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù))跟著它一起倒霉！這就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，這是違背“基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”原則的！

綜上所述，uC/OS-II中多個(gè)任務(wù)訪問獨(dú)占資源時(shí)，最好使用Mutex，但是Mutex是比較消耗CPU時(shí)間和內(nèi)存的。如果某高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)要使用獨(dú)占資源，但是不在乎久等的情況下，就可以使用Sem，因?yàn)镾em是最高效最省內(nèi)存的內(nèi)核對(duì)象。

5、uC/OS-II應(yīng)用程序調(diào)用OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數(shù)應(yīng)注意

uC/OS-II的OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數(shù)允許應(yīng)用程序鎖定當(dāng)前任務(wù)不被其它任務(wù)搶占。使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是：當(dāng)你調(diào)用了OSSchedLock()之后，而在調(diào)用OSSchedUnlock()之前，千萬(wàn)不要再調(diào)用諸如OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類的事件等待函數(shù)！而且應(yīng)當(dāng)確保OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數(shù)成對(duì)出現(xiàn)，特別是在有些分支條件語(yǔ)句中，要考慮各種分支情況，不要有遺漏！

需要一并提醒用戶的是：當(dāng)您調(diào)用開關(guān)中斷函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()時(shí)也要確保成對(duì)出現(xiàn)，否則系統(tǒng)將可能崩潰！不過，在OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()函數(shù)之間調(diào)用OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類的事件等待函數(shù)是允許的。

6、uC/OS-II驅(qū)動(dòng)程序編寫規(guī)范，特別推薦

首先應(yīng)該闡明的是，我們這里討論的是“驅(qū)動(dòng)程序”，而不是“中斷服務(wù)程序”，這兩個(gè)詞語(yǔ)往往被用戶混淆。

(1)中斷服務(wù)程序指那種硬件中斷一旦發(fā)生，就會(huì)立即被硬件中斷控制器調(diào)用的一小段程序，它的操作追求簡(jiǎn)單明了，越快速越精簡(jiǎn)就越好。

(2)驅(qū)動(dòng)程序是指封裝了某種硬件操作細(xì)節(jié)的函數(shù)集，它提供給應(yīng)用程序的是統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、清晰、易用的API。

對(duì)于中斷服務(wù)程序的編寫，往往與驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)。比如驅(qū)動(dòng)程序提供異步操作的功能，那么就需要中斷服務(wù)程序?yàn)樗鼫?zhǔn)備緩沖區(qū)和一個(gè)結(jié)構(gòu)體，并且中斷服務(wù)程序會(huì)依照這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員參數(shù)自動(dòng)完成所要求的操作。又如，串口(UART)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)有兩種：基于數(shù)據(jù)包傳輸和基于單字節(jié)傳輸，前者適用于以數(shù)據(jù)包為單位的通信程序，而后者適用于如超級(jí)終端這樣的應(yīng)用程序。

如果在一個(gè)系統(tǒng)中，要求使用同一個(gè)硬件設(shè)備完成幾種不同的操作方式，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，而該驅(qū)動(dòng)程序可以根據(jù)需要安裝各種針對(duì)性很強(qiáng)的中斷服務(wù)程序。

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，特別需要注意的是，某些外設(shè)的操作往往以一個(gè)連續(xù)而嚴(yán)格的時(shí)序作為原子操作，比如用I/O端口來(lái)訪問DS1302、24C01、LM75A等等。在這類設(shè)備的操作過程中，不允許有其它任務(wù)來(lái)控制對(duì)應(yīng)的I/O端口，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至器件損壞。所以，這種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計(jì)“原子操作”，把必須連貫操作的時(shí)序控制代碼用互斥對(duì)象封裝成一個(gè)“原子操作”，以適應(yīng)多任務(wù)環(huán)境。其實(shí)，大部分設(shè)備都是這樣，需要確定“原子操作”，如LCD、RTL8019AS、Flash等等也是如此。

關(guān)于驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，還有很多很多的文章可作，需要具體問題具體分析。在這里我就不列出個(gè)條條目目了，希望有興趣的朋友多多討論。