uC/OS-II 初級程序員指南

 (一) uC/OS-II 簡介

uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。自從92年發(fā)布以來,在世界各地都獲得了廣泛的應(yīng)用,它是一種專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)核,目前已經(jīng)被移植到40多種不同結(jié)構(gòu)的CPU上,運(yùn)行在從8位到64位的各種系統(tǒng)之上。尤其值得一提的是,該系統(tǒng)自從2.51版本之后,就通過了美國FAA認(rèn)證,可以運(yùn)行在諸如航天器等對安全要求極為苛刻的系統(tǒng)之上。鑒于uC/OS-II可以免費(fèi)獲得代碼,對于嵌入式RTOS而言,選擇uC/OS無疑是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

(二) uC/OS-II　應(yīng)用程序基本結(jié)構(gòu)

應(yīng)用uC/OS-II,自然要為它開發(fā)應(yīng)用程序,下面論述基于uC/OS-II的應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)以及注意事項(xiàng)。

每一個(gè)uC/OS-II應(yīng)用至少要有一個(gè)任務(wù)。而每一個(gè)任務(wù)必須被寫成無限循環(huán)的形式。以下是推薦的結(jié)構(gòu)：

void task ( void* pdata )

{

INT8U err;

InitTimer(); // 可選

For( ;; )

{

// 你的應(yīng)用程序代碼

…….

……..

OSTimeDly(1); // 可選

}

}

以上就是基本結(jié)構(gòu),至于為什么要寫成無限循環(huán)的形式呢?那是因?yàn)橄到y(tǒng)會為每一個(gè)任務(wù)保留一個(gè)堆?？臻g,由系統(tǒng)在任務(wù)切換的時(shí)候換恢復(fù)上下文,并執(zhí)行一條reti 指令返回。如果允許任務(wù)執(zhí)行到最后一個(gè)花括號(那一般都意味著一條ret指令)的話,很可能會破壞系統(tǒng)堆?？臻g從而使應(yīng)用程序的執(zhí)行不確定。換句話說,就是“跑飛”了。所以,每一個(gè)任務(wù)必須被寫成無限循環(huán)的形式。程序員一定要相信,自己的任務(wù)是會放棄CPU使用權(quán)的,而不管是系統(tǒng)強(qiáng)制(通過ISR)還是主動放棄(通過調(diào)用OS API)。

現(xiàn)在來談?wù)撋厦娉绦蛑械腎nitTimer()函數(shù),這個(gè)函數(shù)應(yīng)該由系統(tǒng)提供,程序員有義務(wù)在優(yōu)先級最高的任務(wù)內(nèi)調(diào)用它而且不能在for循環(huán)內(nèi)調(diào)用。注意,這個(gè)函數(shù)是和所使用的CPU相關(guān)的,每種系統(tǒng)都有自己的Timer初始化程序。在uC/OS-II的幫助手冊內(nèi),作者特地強(qiáng)調(diào)絕對不能在OSInit()或者OSStart()內(nèi)調(diào)用Timer初始化程序,那會破壞系統(tǒng)的可移植性同時(shí)帶來性能上的損失。所以,一個(gè)折中的辦法就是象上面這樣,在優(yōu)先級最高的程序內(nèi)調(diào)用,這樣可以保證當(dāng)OSStart()調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)OSStartHighRdy()開始多任務(wù)后,首先執(zhí)行的就是Timer初始化程序?；蛘邔ｉT開一個(gè)優(yōu)先級最高的任務(wù),只做一件事情,那就是執(zhí)行Timer初始化,之后通過調(diào)用OSTaskSuspend()將自己掛起來,永遠(yuǎn)不再執(zhí)行。不過這樣會浪費(fèi)一個(gè)TCB空間。對于那些RAM吃緊的系統(tǒng)來說,還是不用為好。

(三) 一些重要的uC/OS-II API介紹

任何一個(gè)操作系統(tǒng)都會提供大量的API供程序員使用,uC/OS-II也不例外。由于uC/OS-II面向的是嵌入式開發(fā),并不要求大而全,所以內(nèi)核提供的API也就大多和多任務(wù)息息相關(guān)。主要的有以下幾類：

1)任務(wù)類

2)消息類

3)同步類

4)時(shí)間類

5)臨界區(qū)與事件類

我個(gè)人認(rèn)為對于初級程序員而言,任務(wù)類和時(shí)間類是必須要首先掌握的兩種類型的API。下面我就來介紹比較重要的：

1) OSTaskCreate函數(shù)

這個(gè)函數(shù)應(yīng)該至少再main函數(shù)內(nèi)調(diào)用一次,在OSInit函數(shù)調(diào)用之后調(diào)用。作用就是創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。目前有四個(gè)參數(shù),分別是任務(wù)的入口地址,任務(wù)的參數(shù),任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級。調(diào)用本函數(shù)后,系統(tǒng)會首先從TCB空閑列表內(nèi)申請一個(gè)空的TCB指針,然后將會根據(jù)用戶給出參數(shù)初始化任務(wù)堆棧,并在內(nèi)部的任務(wù)就緒表內(nèi)標(biāo)記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回,這樣一個(gè)任務(wù)就創(chuàng)建成功了。

2) OSTaskSuspend函數(shù)

這個(gè)函數(shù)很簡單,一看名字就該明白它的作用,它可以將指定的任務(wù)掛起。如果掛起的是當(dāng)前任務(wù)的話,那么還會引發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)切換先導(dǎo)函數(shù)OSShed來進(jìn)行一次任務(wù)切換。這個(gè)函數(shù)只有一個(gè)參數(shù),那就是指定任務(wù)的優(yōu)先級。那為什么是優(yōu)先級呢?事實(shí)上在系統(tǒng)內(nèi)部,優(yōu)先級除了表示一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的先后次序外,還起著分別每一個(gè)任務(wù)的作用,換句話說,優(yōu)先級也就是任務(wù)的ID。所以uC/OS-II不允許出現(xiàn)相同優(yōu)先級的任務(wù)。

3) OSTaskResume函數(shù)

這個(gè)函數(shù)和上面的函數(shù)正好相反,它用于將指定的已經(jīng)掛起的函數(shù)恢復(fù)成就緒狀態(tài)。如果恢復(fù)任務(wù)的優(yōu)先級高于當(dāng)前任務(wù),那么還為引發(fā)一次任務(wù)切換。其參數(shù)類似OSTaskSuspend函數(shù),為指定任務(wù)的優(yōu)先級。需要特別說明是,本函數(shù)并不要求和OSTaskSuspend函數(shù)成對使用。

4) OS_ENTER_CRITICAL宏

很多人都以為它是個(gè)函數(shù),其實(shí)不然,仔細(xì)分析一下OS_CPU.H文件,它和下面馬上要談到的OS_EXIT_CRITICAL都是宏。他們都是涉及特定CPU的實(shí)現(xiàn)。一般都被替換為一條或者幾條嵌入式匯編代碼。由于系統(tǒng)希望向上層程序員隱藏內(nèi)部實(shí)現(xiàn),故而一般都宣稱執(zhí)行此條指令后系統(tǒng)進(jìn)入臨界區(qū)。其實(shí),它就是關(guān)個(gè)中斷而已。這樣,只要任務(wù)不主動放棄CPU使用權(quán),

別的任務(wù)就沒有占用CPU的機(jī)會了,相對這個(gè)任務(wù)而言,它就是獨(dú)占了。所以說進(jìn)入臨界區(qū)了。這個(gè)宏能少用還是少用,因?yàn)樗鼤茐南到y(tǒng)的一些服務(wù),尤其是時(shí)間服務(wù)。并使系統(tǒng)對外界響應(yīng)性能降低。

5) OS_EXIT_CRITICAL宏

這個(gè)是和上面介紹的宏配套使用另一個(gè)宏,它在系統(tǒng)手冊里的說明是退出臨界區(qū)。其實(shí)它就是重新開中斷。需要注意的是,它必須和上面的宏成對出現(xiàn),否則會帶來意想不到的后果。最壞的情況下,系統(tǒng)會崩潰。我們推薦程序員們盡量少使用這兩個(gè)宏調(diào)用,因?yàn)樗麄兊拇_會破壞系統(tǒng)的多任務(wù)性能。

6) OSTimeDly函數(shù)

這應(yīng)該程序員們調(diào)用最多的一個(gè)函數(shù)了,這個(gè)函數(shù)完成功能很簡單,就是先掛起當(dāng)起當(dāng)前任務(wù),然后進(jìn)行任務(wù)切換,在指定的時(shí)間到來之后,將當(dāng)前任務(wù)恢復(fù)為就緒狀態(tài),但是并不一定運(yùn)行,如果恢復(fù)后是優(yōu)先級最高就緒任務(wù)的話,那么運(yùn)行之。簡單點(diǎn)說,就是可以任務(wù)延時(shí)一定時(shí)間后再次執(zhí)行它,或者說,暫時(shí)放棄CPU的使用權(quán)。一個(gè)任務(wù)可以不顯式的調(diào)用這些可以導(dǎo)致放棄CPU使用權(quán)的API,但那樣多任務(wù)性能會大大降低,因?yàn)榇藭r(shí)僅僅依靠時(shí)鐘機(jī)制在進(jìn)行任務(wù)切換。一個(gè)好的任務(wù)應(yīng)該在完成一些操作主動放棄使用權(quán),好東西要大家分享嘛!

(四) uC/OS-II 多任務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析

前面已經(jīng)說過,uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的多任務(wù)內(nèi)核。那么,它的多任務(wù)機(jī)制到底如何實(shí)現(xiàn)的呢?了解這些原理,可以幫助我們寫出更加健壯的代碼來。由于我們面向的初級程序員,本文不打算寫成又一篇uC/OS-II的源碼分析,那樣的文章太多了,本文打算從實(shí)現(xiàn)原理的角度探討這個(gè)問題。[!--empirenews.page--]

首先我們來看看為什么多任務(wù)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)?其實(shí)在單一CPU的情況下,是不存在真正的多任務(wù)機(jī)制的,存在的只有不同的任務(wù)輪流使用CPU,所以本質(zhì)上還是單任務(wù)的。但由于CPU執(zhí)行速度非?？?加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快,所以我們感覺好像有很多任務(wù)同時(shí)在運(yùn)行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機(jī)制。

由上面的描述,不難發(fā)現(xiàn),要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制,那么目標(biāo)CPU必須具備一種在運(yùn)行期更改PC的途徑,否則無法做到切換。不幸的使,直接設(shè)置PC指針,目前還沒有哪個(gè)CPU支持這樣的指令。但是一般CPU都允許通過類似JMP,CALL這樣的指令來間接的修改PC。我們的多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)。事實(shí)上,我們使用CALL指令或者軟中斷指令來修改PC,主要是軟中斷。但在一些CPU上,并不存在軟中斷這樣的概念,所以,我們在那些CPU上,使用幾條PUSH指令加上一條CALL指令來模擬一次軟中斷的發(fā)生。

回想一下你在微機(jī)原理課程上學(xué)過的知識,當(dāng)發(fā)生中斷的時(shí)候,CPU保存當(dāng)前的PC和狀態(tài)寄存器的值到堆棧里,然后將PC設(shè)置為中斷服務(wù)程序的入口地址,再下來一個(gè)機(jī)器周期,就可以去執(zhí)行中斷服務(wù)程序了。執(zhí)行完畢之后,一般都是執(zhí)行一條RETI指令,這條指令會把當(dāng)前堆棧里的值彈出恢復(fù)到狀態(tài)寄存器和PC里。這樣,系統(tǒng)就會回到中斷以前的地方繼續(xù)執(zhí)行了。那么設(shè)想一下?如果再中斷的時(shí)候,人為的更改了堆棧里的值,那會發(fā)生什么?或者通過更改當(dāng)前堆棧指針的值,又會發(fā)生什么呢?如果更改是隨意的,那么結(jié)果是無法預(yù)料的錯(cuò)誤。因?yàn)槲覀儫o法確定機(jī)器下一條會執(zhí)行些什么指令,但是如果更改是計(jì)劃好的,按照一定規(guī)則的話,那么我們就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。事實(shí)上,這就是目前幾乎所有的OS的核心部分。不過他們的實(shí)現(xiàn)不像這樣簡單罷了。

下面,我們來看看uC/OS-II再這方面是怎么處理的。再uC/OS-II里,每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)控制塊(Task Control Block),這是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在任務(wù)控制快的偏移為0的地方,存儲著一個(gè)指針,它記錄了所屬任務(wù)的專用堆棧地址。事實(shí)上,再uC/OS-II內(nèi),每個(gè)任務(wù)都有自己的專用堆棧,

彼此之間不能侵犯。這點(diǎn)要求程序員再他們的程序中保證。一般的做法是把他們申明成靜態(tài)數(shù)組。而且要申明成OS_STK類型。當(dāng)任務(wù)有了自己的堆棧,那么就可以將每一個(gè)任務(wù)堆棧再那里記錄到前面談到的任務(wù)控制快偏移為0的地方。以后每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換,系統(tǒng)必然會先進(jìn)入一個(gè)中斷,這一般是通過軟中斷或者時(shí)鐘中斷實(shí)現(xiàn)。然后系統(tǒng)會先把當(dāng)前任務(wù)的堆棧地址保存起來,僅接著恢復(fù)要切換的任務(wù)的堆棧地址。由于哪個(gè)任務(wù)的堆棧里一定也存的是地址(還記得我們前面說過的,每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換,系統(tǒng)必然會先進(jìn)入一個(gè)中斷,而一旦中斷CPU就會把地址壓入堆棧),這樣,就達(dá)到了修改PC為下一個(gè)任務(wù)的地址的目的。

以上就是uC/OS-II的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制,我們在這里大費(fèi)筆墨談?wù)撨@個(gè)問題,是希望我們的程序員們可以善加利用這個(gè)機(jī)制,寫出更健壯,更富有效率的代碼來。