6 uCOS-II操作系統(tǒng)ppt課件.ppt

1、第6章uC/OS-II操作系統(tǒng),1,內 容,6.1 uCOS-II操作系統(tǒng)簡介 6.2 uCOS-II操作系統(tǒng)內核結構 6.3 uCOS-II操作系統(tǒng)任務管理 6.4 uCOS-II操作系統(tǒng)內存管理 6.5 uCOS-II操作系統(tǒng)時間管理 6.6 uCOS-II操作系統(tǒng)任務間的通訊 6.7 uCOS-II操作系統(tǒng)移植,2,6.1 uC/OS-II簡介,1、uC/OS-II是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統(tǒng)內核 2、支持 x86、ARM、PowerPC、MIPS 等眾多體系結構 3、可從www.ucos-網(wǎng)站上獲得全部源碼及其在各種體系結構平臺上的移植范例。,3,uC/OS-II的特點,1、u

2、C/OS-II內核具有可搶占的實時多任務調度功能 2、提供了許多系統(tǒng)服務，如信號量、消息隊列、郵箱、內存管理、時間函數(shù)等 3、這些功能可以根據(jù)不同的需求進行裁減。,4,C/OS-II的各種商業(yè)應用,全世界有數(shù)百種產品在應用: 醫(yī)療器械 移動電話 路由器 工業(yè)控制 GPS 導航系統(tǒng) 智能儀器 更多,5,目的：為了實現(xiàn)資源共享。 實現(xiàn)方法：進入臨界段時關中斷，退出臨界段時開中斷。這使得C/OS-能夠在臨界段代碼時避免被其它任務或中斷服務所中斷。 C/OS-定義兩個宏(macros)來開關中斷。分別是： 進入臨界段：OS_ENTER_CRITICAL() 退出臨界段：OS_EXIT_CRITICAL

3、()。 這兩個宏的定義取決于所用的微處理器，每種微處理器都有自己的OS_CPU.H文件。,臨界段(Critical Sections),6,任務（task）,一個任務通常是一個無限的循環(huán): void mytask(void *pdata) do init while (1) do something; waiting; do something; ,7,任務（task）,C/OS-可以管理多達64個任務。 優(yōu)先級為0-63 優(yōu)先級號越低，任務的優(yōu)先級越高。 每個任務的優(yōu)先級不能相同。 保留優(yōu)先級: 高優(yōu)先級：0、1、2、3 低優(yōu)先級：OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRI

4、0-2，OS_LOWEST_PRI0-1以及OS_LOWEST_PRI0 用戶可以有多達56個應用任務。,8,中斷處理,用戶中斷服務子程序框架: 1、保存全部CPU寄存器; 2、調用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1； 3、執(zhí)行用戶代碼做中斷服務; 4、調用OSIntExit()； 5、恢復所有CPU寄存器； 6、執(zhí)行中斷返回指令；,9,OSIntEnter(),void OSIntEnter (void) OS_ENTER_CRITICAL(); OSIntNesting+; OS_EXIT_CRITICAL(); ,10,OSIntExit,OS_ENTER_CRITI

5、CAL(); if (-OSIntNesting | OSLockNesting) = 0) OSIntExitY = OSUnMapTblOSRdyGrp; OSPrioHighRdy = (INT8U)(OSIntExitY 3) + OSUnMapTblOSRdyTblOSIntExitY); if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) OSTCBHighRdy=OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; OSCtxSwCtr+; OSIntCtxSw(); OS_EXIT_CRITICAL();,11,中斷與時鐘節(jié)拍,當發(fā)生中斷時，首先應保護現(xiàn)場，將CPU

6、寄存器入棧，再處理中斷函數(shù)，然后恢復現(xiàn)場，將CPU寄存器出棧，最后執(zhí)行中斷返回。 uC/OS中提供了OSIntEnter()和OSIntExit()告訴內核進入了中斷狀態(tài)。 時鐘節(jié)拍是一種特殊的中斷，操作系統(tǒng)的心臟。對任務列表進行掃描，判斷是否有延時任務應該處于準備就緒狀態(tài)，最后進行上下文切換。,12,時鐘節(jié)拍,C/OS需要用戶提供周期性信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時。節(jié)拍率應在說10到100Hz。時鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負荷就越重。 時鐘節(jié)拍的實際頻率取決于用戶應用程序的精度。時鐘節(jié)拍源可以是專門的硬件定時器，也可以是來自50/60Hz交流電源的信號。 用戶必須在多任務系統(tǒng)啟動以后再開

7、啟時鐘節(jié)拍器，也就是在調用OSStart()之后。,13,OSTickISR,void OSTickISR(void) 保存處理器寄存器的值； 調用OSIntEnter()或是將OSIntNesting加1; 調用OSTimeTick(); 調用OSIntExit(); 恢復處理器寄存器的值; 執(zhí)行中斷返回指令; ,14,C/OS-初始化,在調用C/OS-的任何其它服務之前，C/OS-要求用戶首先調用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()。 OSInit()建立空閑任務idle task，這個任務總是處于就緒態(tài)的?？臻e任務OSTaskIdle（）的優(yōu)先級總是設成最低，即OS_LOWEST_PRIO。

8、C/OS-還初始化了4個空數(shù)據(jù)結構緩沖區(qū)。,15,C/OS-初始化后的一些數(shù)據(jù)結構內容,16,C/OS-初始化后的緩沖區(qū),17,C/OS-的啟動,多任務的啟動是用戶通過調用OSStart()實現(xiàn)的。然而，啟動C/OS-之前，用戶至少要建立一個應用任務。 OSInit(); /* 初始化uC/OS-II*/ 調用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()； OSStart(); /*開始多任務調度!永不返回 */,18,OSStart,if (OSRunning = FALSE) y = OSUnMapTblOSRdyGrp; x = OSUnMapTblOSRdyTbly

9、; OSPrioHighRdy = (INT8U)(y 3) + x); OSPrioCur = OSPrioHighRdy; OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; OSTCBCur = OSTCBHighRdy; OSStartHighRdy(); ,19,任務狀態(tài),20,任務控制塊（TCB）,任務控制塊 OS_TCB是一個數(shù)據(jù)結構，保存該任務的相關參數(shù)，包括任務堆棧指針，狀態(tài)，優(yōu)先級，任務表位置，任務鏈表指針等。 一旦任務建立了，任務控制塊OS_TCBs將被賦值。 所有的任務控制塊分為兩條鏈表，空閑鏈表和使用鏈表。,21,任務控制塊結構的主要成

10、員,OS_STK *OSTCBStkPtr; /*當前任務棧頂?shù)闹羔?/ struct os_tcb *OSTCBNext; /*任務控制塊的雙重鏈接指針*/ struct os_tcb *OSTCBPrev; /*任務控制塊的雙重鏈接指針*/ OS_EVENT *OSTCBEventPtr; /*事件控制塊的指針*/ void *OSTCBMsg; /*消息的指針*/ INT16U OSTCBDly; /*任務延時*/ INT8U OSTCBStat; /*任務的狀態(tài)字*/ INT8U OSTCBPrio; /*任務優(yōu)先級*/ INT8U OSTCBX; /*用于加速進入就緒態(tài)的過程*/ I

11、NT8U OSTCBY; /*用于加速進入就緒態(tài)的過程*/ INT8U OSTCBBitX; /*用于加速進入就緒態(tài)的過程*/ INT8U OSTCBBitY; /*用于加速進入就緒態(tài)的過程*/,22,任務就緒表（Ready List）,每個任務的就緒態(tài)標志都放入就緒表中的，就緒表中有兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl。 在OSRdyGrp中，任務按優(yōu)先級分組，8個任務為一組。OSRdyGrp中的每一位表示8組任務中每一組中是否有進入就緒態(tài)的任務。任務進入就緒態(tài)時，就緒表OSRdyTbl中的相應元素的相應位也置位。,23,任務就緒表,24,任務創(chuàng)建,想讓C/OS-管理用戶的任務，用戶必

12、須要先建立任務。 用戶可以通過傳遞任務地址和其它參數(shù)到以下兩個函數(shù)之一來建立任務： OSTaskCreate() OSTaskCreateExt()。 任務不能由中斷服務程序(ISR)來建立。,25,任務調度（Task Scheduling）,C/OS是搶占式實時多任務內核，優(yōu)先級最高的任務一旦準備就緒，則擁有CPU的所有權開始投入運行。 C/OS中不支持時間片輪轉法，每個任務的優(yōu)先級要求不一樣且是唯一的，所以任務調度的工作就是：查找準備就緒的最高優(yōu)先級的任務并進行上下文切換。 C/OS任務調度所花的時間為常數(shù)，與應用程序中建立的任務數(shù)無關。,26,任務調度（Task Scheduling）,

13、C/OS-總是運行進入就緒態(tài)任務中優(yōu)先級最高的那一個。確定哪個任務優(yōu)先級最高，下面該哪個任務運行了的工作是由調度器（Scheduler）完成的。 任務級的調度是由函數(shù)OSSched()完成的。中斷級的調度是由另一個函數(shù)OSIntExt()完成的，這個函數(shù)將在以后描述。,27,根據(jù)就緒表確定最高優(yōu)先級,通過OSRdyGrp值確定高3位，假設OSRdyGrp0 x08，對應OSRdyTbl3，高優(yōu)先級為2; 通過OSRdyTbl3的值來確定低3位，假設OSRdyTbl30 x3a，最高優(yōu)先級的任務為25,28,使任務進入就緒態(tài),如果prio是任務是優(yōu)先級，也是任務的識別號，則將任務放入就緒表，即使

14、任務進入就緒態(tài)的方法是： OSRdyGrp |=OSMapTblprio3; OSRdyTblprio3 |=OSMapTblprio ,29,使任務脫離就緒態(tài),將任務就緒表OSRdyTblprio3相應元素的相應位清零，而且當OSRdyTblprio3中的所有位都為零時，即全組任務中沒有一個進入就緒態(tài)時，OSRdyGrp的相應位才為零。 if(OSRdyTblprio3,30,任務調度器,void OSSched (void) INT8U y; OS_ENTER_CRITICAL(); if (OSLockNesting | OSIntNesting) = 0) y = OSUnMapTbl

15、OSRdyGrp; OSPrioHighRdy = (INT8U)(y 3) + OSUnMapTblOSRdyTbly); if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy; OSCtxSwCtr+; OS_TASK_SW(); OS_EXIT_CRITICAL(); ,31,任務切換,將被掛起的任務寄存器入棧 將較高優(yōu)先級任務的寄存器出棧,32,任務級的任務切換OS_TASK_SW(),通過系統(tǒng)調用指令完成 保護當前任務的現(xiàn)場 恢復新任務的現(xiàn)場 執(zhí)行中斷返回指令 開始執(zhí)行新的任務,33,調用OS

16、_TASK_SW()前的數(shù)據(jù)結構,低優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBCur (1),存貯器低地址,存貯器高地址,堆棧方向,SP,R1,R2,R3,R4,PC,PSW,存貯器低地址,存貯器高地址,高優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBHighRdy (3),(2),CPU,(4),(5),34,保存當前CPU寄存器的值,低優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBCur,存貯器低地址,存貯器高地址,堆棧方向,SP,R1,R2,R3,R4,PC,PSW,存貯器低地址,存貯器高地址,高優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBHighRdy (3),(2),CPU,(4),(5),(1),(3),35,重新

17、裝入要運行的任務,低優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBCur,存貯器低地址,存貯器高地址,堆棧方向,SP,R1,R2,R3,R4,PC,PSW,存貯器低地址,存貯器高地址,高優(yōu)先級任務 OS_TCB,OSTCBHighRdy OSTCBCur (1),(2),CPU,(4),(4),(1),(3),(3),(4),36,任務切換OS_TASK_SW()的代碼,Void OSCtxSw(void) 將R1,R2,R3及R4推入當前堆棧； OSTCBCurOSTCBStkPtr = SP; OSTCBCur = OSTCBHighRdy; SP = OSTCBHighRdy OSTCBSTKPt

18、r; 將R4,R3,R2及R1從新堆棧中彈出； 執(zhí)行中斷返回指令； ,37,內存管理,在ANSI C中可以用malloc()和free()兩個函數(shù)動態(tài)地分配內存和釋放內存。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中，容易產生內存碎片。 C/OS-II中，操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內存按分區(qū)來管理。每個分區(qū)中包含有整數(shù)個大小相同的內存塊。 在一個系統(tǒng)中可以有多個內存分區(qū)。這樣，用戶的應用程序就可以從不同的內存分區(qū)中得到不同大小的內存塊。但是，特定的內存塊在釋放時必須重新放回它以前所屬于的內存分區(qū)。,38,內存分區(qū)示意圖,39,內存控制塊,為了便于內存的管理，在C/OS-II中使用內存控制塊（memory control

19、blocks）的數(shù)據(jù)結構來跟蹤每一個內存分區(qū)，系統(tǒng)中的每個內存分區(qū)都有它自己的內存控制塊。 typedef struct void *OSMemAddr; /*分區(qū)起始地址*/ void *OSMemFreeList;/*下一個空閑內存塊*/ INT32U OSMemBlkSize;/*內存塊的大小*/ INT32U OSMemNBlks;/*內存塊數(shù)量*/ INT32U OSMemNFree;/*空閑內存塊數(shù)量 */ OS_MEM;,40,內存管理初始化,如果要在C/OS-II中使用內存管理，需要在OS_CFG.H文件中將開關量OS_MEM_EN設置為1。這樣C/OS-II 在啟動時就會對內

20、存管理器進行初始化 （OSMemInit() ）。,41,建立一個內存分區(qū)，OSMemCreate(),在使用一個內存分區(qū)之前，必須使用OSMemCreate()先建立該內存分區(qū)。該函數(shù)共有4個參數(shù)：內存分區(qū)的起始地址、分區(qū)內的內存塊總塊數(shù)、每個內存塊的字節(jié)數(shù)和一個指向錯誤信息代碼的指針。 每個內存分區(qū)必須含有至少兩個內存塊，每個內存塊至少為一個指針的大小 。 OS_MEM *CommTxBuf; INT8U CommTxPart10032; CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, ,42,分配一個內存塊，OSMemGet(),調用OSMemG

21、et()函數(shù)從已經(jīng)建立的內存分區(qū)中申請一個內存塊。該函數(shù)的唯一參數(shù)是指向特定內存分區(qū)的指針，該指針在建立內存分區(qū)時，由OSMemCreate()函數(shù)返回。 注意的是，用戶可以在中斷服務子程序中調用OSMemGet()，因為在暫時沒有內存塊可用的情況下，OSMemGet()不會等待，而是馬上返回NULL指針。,43,釋放一個內存塊，OSMemPut(),應用程序不再使用一個內存塊時，必須及時地把它釋放并放回到相應的內存分區(qū)中。這個操作由OSMemPut()函數(shù)完成。 必須注意的是，OSMemPut()并不知道一個內存塊是屬于哪個內存分區(qū)的。 釋放內存塊時必須將它釋放到正確的分區(qū)。,44,時間管理

22、,C/OS-(其它內核也一樣)要求用戶提供定時中斷來實現(xiàn)延時與超時控制等功能。這個定時中斷叫做時鐘節(jié)拍，它應該每秒發(fā)生10至100次。時鐘節(jié)拍的頻率越高，系統(tǒng)的負荷就越重。 與時鐘管理相關的系統(tǒng)服務有： OSTimeDLY() OSTimeDLYHMSM() OSTimeDlyResmue() OStimeGet() OSTimeSet(),45,任務間通信手段,C/OS中，采用多種方法保護任務之間的共享數(shù)據(jù)和提供任務之間的通信。 提供OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL來對臨界資源進行保護 OSSchedLock( )禁止調度保護任務級的共享資源。 提供了經(jīng)典

23、操作系統(tǒng)任務間通信方法：信號量、郵箱、消息隊列，事件標志。,46,事件控制塊ECB,所有的通信信號都被看成是事件(event), 一個稱為事件控制塊(ECB, Event Control Block)的數(shù)據(jù)結構來表征每一個具體事件，ECB的結構如下： typedef struct void *OSEventPtr; /*指向消息或消息隊列的指針*/ INT8U OSEventTblOS_EVENT_TBL_SIZE; /*等待任務列表*/ INT16U OSEventCnt; /*計數(shù)器（事件是信號量時）*/ INT8U OSEventType; /*事件類型：信號量、郵箱等*/ INT8U

24、OSEventGrp; /*等待任務組*/ OS_EVENT; 與TCB類似的結構，使用兩個鏈表，空閑鏈表與使用鏈表,47,信號量semaphore,信號量在多任務系統(tǒng)中用于：控制共享資源的使用權、標志事件的發(fā)生、使兩個任務的行為同步。 uC/OS中信號量由兩部分組成：信號量的計數(shù)值和等待該信號任務的等待任務表。信號量的計數(shù)值可以為二進制, 也可以是其他整數(shù)。 系統(tǒng)通過OSSemPend( )和OSSemPost( )來支持信號量的兩種原子操作P()和V()。P()操作減少信號量的值，如果新的信號量的值不大于0,則操作阻塞；V()操作增加信號量的值。,48,總結,不存在一個內核任務/實體，內核

25、的管理是通過調用系統(tǒng)函數(shù)來實現(xiàn)的。 每個任務有自己的堆棧空間。內核對任務的占先式調度不會干擾每個任務的總的運行結果。,49,COS-II在ARM9上的移植,所謂移植，是指使一個實時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上運行。COS-II的主要代碼都是由標準的C語言寫成的，移植方便。,50,移植COS-II滿足的條件,處理器的C編譯器能產生可重入代碼 在程序中可以打開或者關閉中斷 處理器支持中斷，并且能產生定時中斷（通常在101000Hz之間） 處理器支承能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧（或者內存）的指令,51,打開/關閉中斷,在COS-II中，可以通

26、過： OS_ENTER_CRITICAL () OS_EXIT_CRITICAL() 宏來控制系統(tǒng)關閉或者打開中斷。這需要處理器的支持。 在ARM7TDMI的處理器上，可以設置相應的寄存器來關閉或者打開系統(tǒng)的所有中斷。,52,處理器支持中斷并且能產生定時中斷,COS-II是通過處理器產生的定時器的中斷來實現(xiàn)多任務之間的調度的。ARM7TDMI的處理器上可以產生定時器中斷。 本系統(tǒng)工作在60MHz的主頻下，定時器的中斷的頻率為100Hz。也就是系統(tǒng)的響應時間為10ms。,53,處理器支持硬件堆棧,COS-II進行任務調度的時候，會把當前任務的CPU寄存器存放到此任務的堆棧中，然后，再從另一個任務的堆棧中恢復原來的工作寄存器，繼續(xù)運行另一個任務。所以，寄存器的入棧和出棧是COS-II多任務調度的基礎。 ARM7處理器中有專門的指令處理堆棧，可以靈活的使用堆棧。,54,例：C/OS-II在S3C2410上的移植,設置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關的代碼 用C語言編寫六個操作系統(tǒng)相關的函數(shù)（OS_CPU_C.C） 用匯編語言編寫四個與處理器相關的函數(shù)（OS_CPU.ASM）,55,設置與處理器和編譯器相關的代碼,