嵌入式操作系統(tǒng)UC/OSII的內(nèi)核結構及介紹

1 引言 　　
以前在我們一般所使用的系統(tǒng)中，任務沒有優(yōu)先級之分。應用程序是一個無限的循環(huán)，任務函數(shù)按在代碼中的順序運行，處理相應的事務。時間相關性強的任務處理使用中斷機制，但是當系統(tǒng)比較復雜、中斷資源有限時，中斷程序只能將處理該任務的信息條件準備好后返回。當程序按順序沒有執(zhí)行到該任務時，該任務的執(zhí)行必須等待，所以將會造成任務每次的執(zhí)行時間間隔不定，不能及時處理緊急事務，影響系統(tǒng)的運行。這種情況在要求限定時間內(nèi)周期性處理事務的系統(tǒng)中是不允許發(fā)生的，而且只由應用者編寫的復雜程序很可能會出現(xiàn)Bug。
　　
嵌入式操作系統(tǒng)是實時操作系統(tǒng)，運行于特定的硬件平臺上，一般包括處理器、存儲器及外設器件和I／O端口，包括操作系統(tǒng)軟件，要求實時和多任務操作，用戶可以在其基礎上添加應用程序。使用嵌入式操作系統(tǒng)的用戶只需添加所需的任務到操作系統(tǒng)中即可，既節(jié)省開發(fā)時間，又提高程序的可靠性。
　　
2 UC/OSII及其任務介紹
　　
UC/OSII(Micro Control Operation System Two)是一種源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，程序絕大部分是用C語言寫的，帶有少量的匯編程序，并且有詳細的說明和示例，可移植性好、易調試，穩(wěn)定性與可靠性高，功能也比較完善。UC/OSII和其他大部分的嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核都是占先式內(nèi)核，被分為最高優(yōu)先級的任務一旦準備就緒，立刻就能得到CPU的控制權，可以剝奪低優(yōu)先級任務的CPU使用權，處理系統(tǒng)最緊急的事務。
　　
UC/OSII的任務實際是一段程序，執(zhí)行特定的功能，擁有自己的代碼和堆?？臻g（保存該任務的寄存器、返回地址和臨時參數(shù)），一般都是空函數(shù)，不會返回任何值。任務執(zhí)行一次后，設置延時參數(shù)OSTCBDly,表明在經(jīng)過OSTCBDly個時鐘周期后再次運行，然后任務進行切換，使其他任務運行。
　　例如：
　　void Task(void)
　　{ 參數(shù)定義
　　for(;;) {
　　任務執(zhí)行代碼
　　OSTimeDly( ) 延時函數(shù) ;清除任務就緒標志，設置延時的時鐘周期參數(shù)，調用OSSched( )進行任務調度
　　} }
　　
3 UC/OSII的內(nèi)核數(shù)據(jù)結構
　　
(1) 任務控制塊OS?_TCB

 

　　
(2) 任務就緒表OSRdyTbl［］和OSRdyGrp

 

　　
每個任務的就緒狀態(tài)標志都放入就緒表中(如圖1所示)，OSRdyTbl［ ］中的每一位為1表示相應優(yōu)先級的任務處于就緒狀態(tài)，OSRdyGrp中的每一位為1，表示每8個為一組的任務中至少有1個已經(jīng)就緒，值越小優(yōu)先級越高。
　　
4 UC/OSII內(nèi)核的運行機制
　　
任何計算機系統(tǒng)都有時鐘，他是計算機世界的時間，通過定時器的定時中斷，產(chǎn)生時間間隔，每個間隔是任務執(zhí)行的時間周期，在一個間隔內(nèi)所有應該執(zhí)行的任務都應執(zhí)行一次，不能因為時間間隔太小而有的任務沒有時間執(zhí)行。因此，任務的多少、時間周期的確定、CPU的選擇需仔細考慮，確保在一個周期內(nèi)CPU任務的運行時間所占比重不要太大。
　　
主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，給各個參數(shù)賦值，根據(jù)任務的多少來建立任務控制塊鏈表，并且首先建立一個最低優(yōu)先級的空閑任務，當沒有其他任務需要運行時，對一個變量進行累加計算來計算空閑時間。任務創(chuàng)建函數(shù)分配的一塊內(nèi)存，保存寄存器的值和該任務的代碼地址，再把堆棧的地址存入任務控制塊，從而把任務程序代碼、任務堆棧和任務控制塊聯(lián)系在一起。操作系統(tǒng)內(nèi)核可以通過任務控制塊找到任務堆棧，從堆棧中取得任務代碼地址?；窘Y構如圖2所示。?


 

　　
任務的切換發(fā)生在2個時候，第1個是當某一任務運行完畢時就調用延時函數(shù)，使自身延時一個或幾個時鐘周期，進行任務切換，運行就緒的最高優(yōu)先級最高任務；第2個是每一次時鐘周期中斷后，中斷程序處理事務時，可能使一些任務運行準備就緒，然后重新整理和搜索任務就緒表，進行任務切換(如圖3所示)，選出其中的高優(yōu)先級任務運行。?


 

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嵌入式操作系統(tǒng)是多任務的，任務切換是其核心技術，由匯編語言編寫。任務切換函數(shù)OS_TASK_SW( )被設置成中斷函數(shù)，調用時使用的是軟件中斷指令，這樣在進入中斷程序之前，當前任務的代碼地址和狀態(tài)字就自動保存在當前任務的堆棧頂部。下面用8086的程序舉例切換函數(shù)：
　　
(1) _OS_TASK_SW(或_OSIntCtxSw)PROC FAR中斷程序。
　　
(2) PUSH指令該指令針對_OS_TASK_SW，保存當前任務寄存器到該任務的堆棧，代碼地址已經(jīng)保存。
　　
(3) ADD SP，n該指令針對?_OSIntCtxSw，因為該函數(shù)由中斷程序調用，運行他之前曾調用一些函數(shù)，堆棧發(fā)生變化，所以需要調整，去掉前幾個函數(shù)的保存地址和參數(shù)，而代碼地址在發(fā)生中斷時就已經(jīng)保存。

(4) 保存該任務的當前堆棧地址到該任務控制塊OS_TCB，即保存SS和SP。
　　
(5) 調入已就緒最高優(yōu)先級任務控制塊，取出其原來保存的任務堆棧地址，即賦值給SS和SP。
　　
(6) POP指令恢復新任務的寄存器。
　　
(7) IRET中斷指令返回時，CPU從堆棧頂部即SS:SP指向的位置取出以前所保存的代碼地址和狀態(tài)字，并從此地址恢復原來任務的運行。
　　
5 程序舉例
　　
一個最簡單的嵌入式操作系統(tǒng)8086程序例子：在主程序運行完畢后，各任務開始輪流執(zhí)行。


 

　　
6 結語
　　
UC/OSII還有時間管理、內(nèi)存分配的功能，并且使用了信號量、郵箱和信息隊列，使各任務之間可以互相通訊，協(xié)調對各種事務的管理，適用于小型的高端CPU。已經(jīng)有許多公司以其為核心，進行功能擴展，從而開發(fā)自己的嵌入式操作系統(tǒng)，并且由于其代碼簡練，JEAN J.LABROSSE專門寫書對其講解，也可以非常好地用于教學。