本科-嵌入式ARM-第6章μCOS-II程序設(shè)計基礎(chǔ)

本科-嵌入式ARM-第6章μCOS-II程序設(shè)計基礎(chǔ)匯報人：AA2024-01-17目錄contentsμCOS-II操作系統(tǒng)概述μCOS-II任務(wù)管理μCOS-II時間管理μCOS-II內(nèi)存管理μCOS-II中斷處理機制μCOS-II移植與配置實驗：基于μCOS-II的嵌入式程序設(shè)計01μCOS-II操作系統(tǒng)概述μCOS-II是一個可移植、可固化、可裁剪、搶占式的實時多任務(wù)內(nèi)核。實時操作系統(tǒng)從8位到64位微處理器，μCOS-II已在眾多嵌入式應(yīng)用中得到驗證。廣泛應(yīng)用經(jīng)過嚴(yán)格測試與驗證，μCOS-II提供了出色的穩(wěn)定性和可靠性。穩(wěn)定性與可靠性μCOS-II背景與特點實時控制如工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域，μCOS-II能滿足對實時性要求高的控制需求。通信協(xié)議棧在通信領(lǐng)域，μCOS-II可作為TCP/IP等協(xié)議棧的實時操作系統(tǒng)平臺。圖形用戶界面μCOS-II可支持圖形用戶界面系統(tǒng)，提供流暢的用戶體驗。μCOS-II在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用通信與同步通過信號量、消息隊列、事件等機制實現(xiàn)任務(wù)間的通信與同步。內(nèi)存管理提供動態(tài)內(nèi)存分配與回收機制，優(yōu)化內(nèi)存使用。時間管理提供系統(tǒng)時鐘、定時器等功能，確保實時性要求。內(nèi)核負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、時間管理、內(nèi)存管理等核心功能。任務(wù)管理實現(xiàn)任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起、恢復(fù)等操作，支持優(yōu)先級搶占調(diào)度。μCOS-II體系結(jié)構(gòu)及核心組件02μCOS-II任務(wù)管理03任務(wù)初始化在任務(wù)創(chuàng)建后，需要對任務(wù)進(jìn)行初始化，包括設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)狀態(tài)等。01任務(wù)控制塊（TCB）μCOS-II通過任務(wù)控制塊來管理任務(wù)，TCB包含了任務(wù)的所有信息，如任務(wù)堆棧指針、任務(wù)名稱、任務(wù)優(yōu)先級等。02任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()用于創(chuàng)建任務(wù)，需要指定任務(wù)函數(shù)、任務(wù)名稱、任務(wù)堆棧大小等參數(shù)。任務(wù)創(chuàng)建與初始化任務(wù)切換μCOS-II通過調(diào)度器來實現(xiàn)任務(wù)切換，當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)就緒時，會立即搶占低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行。任務(wù)掛起與恢復(fù)OSTaskSuspend()用于掛起任務(wù)，使其進(jìn)入睡眠狀態(tài)；OSTaskResume()用于恢復(fù)任務(wù)，使其進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)狀態(tài)μCOS-II中的任務(wù)有五種狀態(tài)，分別是睡眠狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)和中斷服務(wù)狀態(tài)。任務(wù)狀態(tài)及切換優(yōu)先級設(shè)置μCOS-II允許為每個任務(wù)設(shè)置不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級越高的任務(wù)越優(yōu)先執(zhí)行。調(diào)度策略μCOS-II采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略，即當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)就緒時，會立即搶占低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度μCOS-II還支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略，即當(dāng)多個相同優(yōu)先級的任務(wù)就緒時，會按照時間片輪轉(zhuǎn)的方式執(zhí)行這些任務(wù)。任務(wù)優(yōu)先級與調(diào)度策略任務(wù)間通信與同步機制信號量（Semaphore）用于實現(xiàn)任務(wù)間的同步和互斥訪問共享資源。消息隊列（MessageQueue）用于實現(xiàn)任務(wù)間的通信，允許一個任務(wù)向另一個任務(wù)發(fā)送消息。事件（Event）用于實現(xiàn)多任務(wù)間的同步和通信，允許一個任務(wù)等待多個事件的發(fā)生。互斥量（Mutex）用于實現(xiàn)互斥訪問共享資源，確保同一時間只有一個任務(wù)可以訪問共享資源。03μCOS-II時間管理μCOS-II采用系統(tǒng)時鐘來管理時間，它是操作系統(tǒng)的脈搏，為任務(wù)調(diào)度和時間相關(guān)操作提供基準(zhǔn)。定時器是操作系統(tǒng)中實現(xiàn)時間延遲和時間戳功能的基礎(chǔ)。μCOS-II提供硬件定時器和軟件定時器兩種類型，用于滿足不同應(yīng)用場景的需求。系統(tǒng)時鐘與定時器定時器系統(tǒng)時鐘該函數(shù)用于實現(xiàn)任務(wù)的時間延遲。調(diào)用該函數(shù)后，任務(wù)將進(jìn)入等待狀態(tài)，直到指定的延遲時間到期后才重新進(jìn)入就緒狀態(tài)。OSTimeDly()該函數(shù)用于實現(xiàn)以小時、分鐘、秒和毫秒為單位的時間延遲。它提供了一種更直觀的方式來指定延遲時間，方便用戶理解和使用。OSTimeDlyHMSM()時間延遲函數(shù)時間戳功能μCOS-II提供時間戳功能，可以記錄任務(wù)開始執(zhí)行的時間或者事件發(fā)生的時間。通過比較時間戳，可以確定任務(wù)執(zhí)行的時間長度或者事件發(fā)生的先后順序。應(yīng)用場景時間戳在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，如任務(wù)執(zhí)行時間統(tǒng)計、性能分析、事件追蹤等。通過使用時間戳功能，開發(fā)人員可以更方便地分析和優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。時間戳功能及應(yīng)用04μCOS-II內(nèi)存管理在程序運行時，根據(jù)需要動態(tài)地分配和釋放內(nèi)存空間。動態(tài)內(nèi)存分配概念通過調(diào)用特定的內(nèi)存管理函數(shù)（如malloc和free）進(jìn)行內(nèi)存的申請和釋放。內(nèi)存分配方式常見的內(nèi)存管理算法有首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法和最差適應(yīng)算法等，用于決定如何分配和回收內(nèi)存塊。內(nèi)存管理算法010203動態(tài)內(nèi)存分配原理將可用內(nèi)存劃分為多個固定大小的分區(qū)，每個分區(qū)用于滿足特定大小的內(nèi)存請求。分區(qū)概念根據(jù)應(yīng)用程序的需求和可用內(nèi)存的大小，合理劃分分區(qū)大小。分區(qū)大小確定μCOS-II提供了一套完整的分區(qū)管理機制，包括分區(qū)的創(chuàng)建、刪除、初始化和控制等。分區(qū)管理μCOS-II內(nèi)存分區(qū)方法內(nèi)存泄漏檢測與防范策略采用合理的內(nèi)存管理策略，如及時釋放不再使用的內(nèi)存、避免在函數(shù)中返回局部變量的地址、減少全局變量的使用等，以降低內(nèi)存泄漏的風(fēng)險。防范策略在程序運行過程中，動態(tài)分配的內(nèi)存空間未被正確釋放，導(dǎo)致系統(tǒng)可用內(nèi)存逐漸減少的現(xiàn)象。內(nèi)存泄漏定義通過特定的工具或技術(shù)手段（如內(nèi)存泄漏檢測工具）來發(fā)現(xiàn)和定位內(nèi)存泄漏問題。內(nèi)存泄漏檢測05μCOS-II中斷處理機制中斷定義01中斷是指CPU在執(zhí)行程序過程中，由于外部或內(nèi)部事件（如外設(shè)請求、定時器溢出等）的發(fā)生，而暫停當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理該事件，處理完畢后再返回原任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷源02引起中斷發(fā)生的各種事件或原因，如外部輸入信號、定時器溢出、軟件請求等。中斷向量表03用于存儲中斷服務(wù)程序入口地址的表格，CPU通過查詢中斷向量表找到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序并執(zhí)行。中斷基本概念及原理中斷響應(yīng)當(dāng)外部或內(nèi)部事件發(fā)生時，CPU響應(yīng)中斷請求，保存當(dāng)前任務(wù)上下文（如寄存器值、程序計數(shù)器等）。中斷處理CPU根據(jù)中斷向量表找到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序并執(zhí)行，處理中斷事件。中斷返回中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，CPU恢復(fù)被中斷任務(wù)的上下文并繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。μCOS-II中斷處理流程中斷服務(wù)程序編寫規(guī)范01盡可能縮短中斷服務(wù)程序執(zhí)行時間，避免長時間占用CPU資源。02在中斷服務(wù)程序中避免使用可能引起阻塞的操作，如等待外部設(shè)備響應(yīng)等。03對于需要長時間處理的中斷事件，可以在中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個標(biāo)志位，然后在任務(wù)級程序中處理該事件。04在編寫中斷服務(wù)程序時，應(yīng)注意保護共享資源，避免競態(tài)條件的發(fā)生。06μCOS-II移植與配置移植μCOS-II到目標(biāo)硬件平臺選擇合適的硬件平臺根據(jù)項目需求和μCOS-II系統(tǒng)要求，選擇適合的嵌入式ARM硬件平臺。移植μCOS-II內(nèi)核修改μCOS-II內(nèi)核源代碼，以適應(yīng)目標(biāo)硬件平臺的處理器架構(gòu)、中斷處理機制、內(nèi)存管理等方面的特性。準(zhǔn)備開發(fā)環(huán)境安裝交叉編譯工具鏈，配置開發(fā)環(huán)境，以便在主機上編譯μCOS-II源代碼并生成可在目標(biāo)硬件平臺上運行的二進(jìn)制代碼。移植硬件相關(guān)代碼根據(jù)目標(biāo)硬件平臺的硬件特性，編寫或修改與硬件相關(guān)的代碼，如啟動代碼、中斷服務(wù)程序、設(shè)備驅(qū)動程序等。優(yōu)化系統(tǒng)性能通過調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級、時間片長度、中斷處理機制等參數(shù)，優(yōu)化μCOS-II在目標(biāo)硬件平臺上的性能表現(xiàn)。裁剪系統(tǒng)功能根據(jù)項目需求，裁剪μCOS-II中不必要的功能模塊，以減小系統(tǒng)體積和降低資源消耗。修改配置文件根據(jù)需要，修改μCOS-II的配置文件，如os_cfg.h，以配置系統(tǒng)參數(shù)、任務(wù)優(yōu)先級、時間片輪轉(zhuǎn)等。配置文件修改及優(yōu)化方法123遇到編譯錯誤時，仔細(xì)檢查源代碼和配置文件，確保語法正確、頭文件包含完整、宏定義正確等。編譯錯誤處理在運行時出現(xiàn)錯誤時，利用調(diào)試工具進(jìn)行單步跟蹤、查看寄存器值、打印日志信息等操作，定位問題所在并進(jìn)行修復(fù)。運行錯誤排查針對性能瓶頸問題，采用性能分析工具進(jìn)行診斷，找出性能瓶頸所在并進(jìn)行針對性優(yōu)化。性能問題優(yōu)化常見問題排查與解決技巧07實驗：基于μCOS-II的嵌入式程序設(shè)計010203掌握μCOS-II操作系統(tǒng)的基本原理和核心功能熟悉基于μCOS-II的嵌入式程序設(shè)計方法和流程能夠獨立設(shè)計和實現(xiàn)基于μCOS-II的簡單嵌入式應(yīng)用程序?qū)嶒災(zāi)康暮鸵笥布h(huán)境嵌入式開發(fā)板（如STM32F103C8T6）、JTAG調(diào)試器、電源適配器等軟件環(huán)境KeilMDK或IAREmbeddedWorkbench等嵌入式開發(fā)環(huán)境、μCOS-II操作系統(tǒng)源代碼、串口調(diào)試工具等實驗環(huán)境和工具準(zhǔn)備03安裝并配置好嵌入式開發(fā)環(huán)境，導(dǎo)入μCOS-II操作系統(tǒng)源代碼011.搭建實驗環(huán)境02連接好硬件，確保電源供應(yīng)穩(wěn)定實驗步驟及代碼實現(xiàn)1232.創(chuàng)建μCOS-II工程在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個新的工程，選擇合適的芯片型號和配置將μCOS-II源代碼添加到工程中，并配置好相關(guān)選項實驗步驟及代碼實現(xiàn)實驗步驟及代碼實現(xiàn)013.編寫應(yīng)用程序代碼02編寫主函數(shù)，初始化μCOS-II操作系統(tǒng)和硬件資源創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)，實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯功能03實驗步驟及代碼實現(xiàn)使用μCOS-II提供的API函數(shù)進(jìn)行任務(wù)管理、時間管理、信號量管理等操作4.編譯、下載并運