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[導(dǎo)讀]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II及其應(yīng)用

 摘 要: 本文通過(guò)對(duì)一種源碼公開(kāi)的嵌入式操作系統(tǒng)mC/OS-II的分析,以51系列單片機(jī)為例,闡述了在單片機(jī)中使用該嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

  早在上世紀(jì)六十年代,就已經(jīng)有人開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。但直到最近,它才在國(guó)內(nèi)被越來(lái)越多的提及。其在通信、電子、自動(dòng)化等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域所日益顯現(xiàn)的重要性吸引了人們?cè)絹?lái)越多的注意力。針對(duì)國(guó)內(nèi)大部分用戶使用的51系列的8位處理器,我們可以選擇mC/OS-II 。

  mC/OS-II是由Labrosse先生編寫的一個(gè)開(kāi)放式的內(nèi)核,它最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)的自由軟件。這一點(diǎn)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)可謂利弊各半; 好處在于,一方面它是免費(fèi)的;另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行修改。壞處在于,它缺乏必要的支持。它沒(méi)有功能強(qiáng)大的軟件包,用戶通常得自己編寫驅(qū)動(dòng)程序,特別當(dāng)用戶使用的是不太常用的單片機(jī),還必須自己編寫移植程序。

  mC/OS-II特點(diǎn)

  (1) mC/OS-II是一個(gè)占先式的內(nèi)核,即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。通常我們都是在中斷服務(wù)程序中使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)(例如發(fā)信號(hào)),這樣退出中斷服務(wù)程序后,將進(jìn)行任務(wù)切換,高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將被執(zhí)行。但是因?yàn)槲覀儫o(wú)法確定發(fā)生中斷時(shí)程序到底執(zhí)行到了什么地方,我們也就無(wú)法判斷要經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)處理程序才會(huì)執(zhí)行,中斷響應(yīng)時(shí)間無(wú)法確定,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。如果使用mC/OS-II的話,我們只要把數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級(jí)設(shè)定的高一些,并在中斷服務(wù)程序中使它進(jìn)入就緒態(tài),中斷結(jié)束后數(shù)據(jù)處理程序就會(huì)被立即執(zhí)行。這樣我們可以把中斷響應(yīng)時(shí)間限制在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于一些對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的系統(tǒng),這是必不可少的。[!--empirenews.page--]

  (2)mC/OS-II和我們所知道的Linux等分時(shí)操作系統(tǒng)不同,不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。每一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同 (分析它的源碼會(huì)發(fā)現(xiàn),mC/OS-II 把任務(wù)的優(yōu)先級(jí)當(dāng)作任務(wù)的標(biāo)識(shí)來(lái)使用,如果優(yōu)先級(jí)相同,任務(wù)將無(wú)法區(qū)分)。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權(quán),只有等它交出CPU的使用權(quán)后,其他任務(wù)才可以被執(zhí)行。所以它只能說(shuō)是多任務(wù),不能說(shuō)是多進(jìn)程,至少不是我們所熟悉的那種多進(jìn)程。mC/OS-II的這種特性是好是壞,主要看從什么角度來(lái)判斷。顯而易見(jiàn),如果只考慮實(shí)時(shí)性,當(dāng)然比分時(shí)系統(tǒng)好,它可以保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統(tǒng)中,重要任務(wù)畢竟是有限的,這就使得劃分其它任務(wù)的優(yōu)先權(quán)變成了一個(gè)讓人費(fèi)神的問(wèn)題。另外,有些任務(wù)交替執(zhí)行反而對(duì)用戶更有利。例如,用單片機(jī)控制兩小塊顯示屏?xí)r,無(wú)論是編程者還是使用者肯定希望它們同時(shí)工作,而不是顯示完一塊顯示屏的信息以后再顯示另一塊顯示屏的信息。

  (3) mC/OS-II對(duì)共享資源提供了保護(hù)機(jī)制。mC/OS-II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。我們可以把一個(gè)完整的程序劃分成幾個(gè)任務(wù),不同的任務(wù)執(zhí)行不同的功能。對(duì)于共享資源(比如串口),mC/OS-II也提供了很好的解決辦法,一般情況下使用的是信號(hào)量方法。我們創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量并對(duì)它進(jìn)行初始化,當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí),它必須先申請(qǐng)得到這個(gè)信號(hào)量。在這個(gè)過(guò)程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài),因?yàn)闊o(wú)法得到信號(hào)量,也不能使用該資源。在mC/OS-II中稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō),就是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的完成。在上述情況下,在兩個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是無(wú)法避免的。所以在使用mC/OS-II時(shí),我們必須對(duì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對(duì)于某種共享資源是否使用信號(hào)量。

  mC/OS-II在單片機(jī)中的應(yīng)用

  (1) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,并使得調(diào)試程序變得簡(jiǎn)單起來(lái)。我們經(jīng)常遇到編完程序時(shí),在調(diào)試過(guò)程中要不是程序跑飛了,要不就是陷入死循環(huán)。如果在系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II,我們可以把整個(gè)程序分成許多任務(wù),每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立。然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù),時(shí)間用完以后,任務(wù)必須交出CPU的使用權(quán)。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問(wèn)題,也不會(huì)影響其它任務(wù)的運(yùn)行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)也使得調(diào)試程序變得容易。需要指出的是,這里所說(shuō)的容易是建立在開(kāi)發(fā)人員對(duì)mC/OS-II有所了解并有實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。[!--empirenews.page--]

  (2) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增加系統(tǒng)的開(kāi)銷,這在許多書籍和資料中都提到過(guò)?,F(xiàn)在我們所使用的51系列單片機(jī),其片內(nèi)都帶有一定的RAM和ROM。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的程序,如果采用傳統(tǒng)的編程方法,已經(jīng)不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器了。如果在其中嵌入mC/OS-II的話,在只需要使用任務(wù)調(diào)度、任務(wù)切換、信號(hào)量處理、延時(shí)或超時(shí)服務(wù)的情況下,也不需要外擴(kuò)ROM了,但是外擴(kuò)RAM 是必須的。由于UC/OS-II是可裁減的操作系統(tǒng),其所需要的RAM大小就依賴于我們對(duì)操作系統(tǒng)一些功能的選擇。嵌入mC/OS-II以后總的RAM需求可以由如下表達(dá)式得出:

  RAM總需求=應(yīng)用程序的RAM需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+(任務(wù)棧需求+最大中斷嵌套棧需求)×任務(wù)數(shù)

  所幸的是mC/OS-II可以對(duì)每個(gè)任務(wù)分別定義堆棧空間的大小,我們可根據(jù)任務(wù)的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行??臻g的分配。但不管怎么說(shuō),在RAM容量有限的情況下,我們還是應(yīng)該注意一下對(duì)大型數(shù)組、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)的使用,別忘了,函數(shù)的形參也是要推入堆棧的。

  (3) mC/OS-II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果我們手中沒(méi)有現(xiàn)成的移植實(shí)例的話,我們就必須自己來(lái)編寫移植代碼。雖然只需要改動(dòng)兩個(gè)文件,但仍需要對(duì)相應(yīng)的微處理器比較熟悉才行。最好參照已有的移植實(shí)例。另外,即使我們有移植實(shí)例,在編程前最好也要閱讀一下,因?yàn)槔锩鏍砍兜蕉褩2僮鳌N覀冊(cè)诰帉懼袛喾?wù)程序時(shí),把寄存器推入堆棧的順序必須與移植代碼中的順序相對(duì)應(yīng)。

  (4) 和其它一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)不同,mC/OS-II在單片機(jī)系統(tǒng)中的啟動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。mC/OS-II的內(nèi)核是和應(yīng)用程序放在一起編譯成一個(gè)文件的,我們只需要把這個(gè)文件轉(zhuǎn)換成HEX格式,寫入ROM中就可以了。上電后,它會(huì)像普通的單片機(jī)程序一樣運(yùn)行。

  結(jié)語(yǔ)

  從以上的分析中我們不難看出,是否在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II取決于使用者所要開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目。對(duì)于實(shí)時(shí)性,可靠性要求較強(qiáng)的項(xiàng)目,特別是大型項(xiàng)目,最好使用mC/OS-II;而對(duì)于一些簡(jiǎn)單的,成本要求低的項(xiàng)目,就沒(méi)必要這么麻煩。

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