uCOS-II 嵌入式操作系統簡介

μC/OS-II由Micrium公司提供,是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務實時內核,它適用於多種微處理器,微控制器和數字處理晶片(已經移植到超過100種以上的微處理器應用中)。同時,該系統源代碼開放、整潔、一致,注釋詳盡,適合系統開發。 μC/OS-II已經通過聯邦航空局(FAA)商用航行器認證,符合航空無線電技術委員會(RTCA)DO-178B標準。現在最新版的是μC/OS-III。





性質

μC/OS-II被廣泛應用於微處理器微控制器數字信號處理器

μC/OS-II 的前身是μC/OS,最早出自於1992 年美國嵌入式系統專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統編程》雜誌的5 月和6 月刊上刊登的文章連載,並把μC/OS 的源碼發布在該雜誌的B B S 上。

μC/OS 和μC/OS-II 是專門為計算機的嵌入式應用設計的, 絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU 硬體相關部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度,為的是便於移植到任何一種其它的CPU 上。用戶只要有標準的ANSI 的C交叉編譯器,有匯編器、連接器等軟體工具,就可以將μC/OS-II嵌入到開發的產品中。μC/OS-II 具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點, 最小內核可編譯至 2KB 。μC/OS-II 已經移植到了幾乎所有知名的CPU 上。

嚴格地說uC/OS-II只是一個實時操作系統內核,它僅僅包含了任務調度,任務管理時間管理,內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理文件系統,網絡等額外的服務。但由於uC/OS-II良好的可擴展性和源碼開放,這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據需要分別實現。

uC/OS-II目標是實現一個基於優先級調度的搶占式的實時內核,並在這個內核之上提供最基本的系統服務,如信號量,郵箱,消息隊列,內存管理,中斷管理等。

uC/OS-II以源代碼的形式發布,是開源軟體, 也是免費軟體。你可以將其用於教學和私下研究(peaceful research);並且uCOSIII也已經免費商用,並且uC全家桶源碼也已經開源,目前除了μC/GUI。

應用

μC/OS-II可以提供如下服務:
  • 信號量
  • 互斥信號量
  • 事件標識
  • 消息郵箱
  • 消息隊列
  • 任務管理
  • 固定大小內存塊管理
  • 時間管理另外,在μC/OS-II內核之上,有如下獨立模塊可供用戶選擇:
  • μC/FS文件系統模塊
  • μC/GUI圖形軟體模塊
  • μC/TCP-IP協議棧模塊
  • μC/USB協議棧模塊
 

組成

 μC/OS-II可以大致分成核心、任務處理、時間處理、任務同步與通信,CPU的移植等5個部分。

1.核心部分(OSCore.c)
是操作系統的處理核心,包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。能夠維持系統基本工作的部分都在這裡。


2.任務處理部分(OSTask.c)
任務處理部分中的內容都是與任務的操作密切相關的。包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務為基本單位調度的,所以這部分內容也相當重要。

3.時鐘部分(OSTime.c)
μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick(時鐘節拍)。任務延時等操作是在這裡完成的。

4.任務同步和通信部分
為事件處理部分,包括信號量、郵箱、郵箱隊列、事件標誌等部分;主要用於任務間的互相聯繫和對臨界資源的訪問。

5.與CPU的接口部分
是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由於μC/OS-II是一個通用性的操作系統,所以對於關鍵問題上的實現,還是需要根據具體CPU的具體內容和要求作相應的移植。這部分內容由於牽涉到SP等系統指針,所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷的相關處理部分等內容。


任務管理

 uC/OS-II 中最多可以支持256個任務,分別對應優先級0~255,其中0 為最高優先級。255為最低級。
注意:uC/OS中最多可以支持64個任務,分別對應優先級0~63,其中0 為最高優先級。63為最低級。
uC/OS-II提供了任務管理的各種函數調用,包括創建任務,刪除任務,改變任務的優先級,任務掛起和恢復等。
系統初始化時會自動產生兩個任務:一個是空閒任務,它的優先級最低,該任務僅給一個整型變量做累加運算;另一個是系統任務,它的優先級為次低,該任務負責統計當前cpu的利用率
 

時間管理

 uC/OS-II的時間管理是通過定時中斷來實現的,該定時中斷一般為10毫秒或100毫秒發生一次,時間頻率取決於用戶對硬體系統定時器編程來實現。中斷髮生的時間間隔是固定不變的,該中斷也成為一個時鐘節拍。
uC/OS-II要求用戶在定時中斷的服務程序中,調用系統提供的與時鐘節拍相關的系統函數,例如中斷級的任務切換函數,系統時間函數。
 

內存管理

 ANSI C中是使用mallocfree兩個函數來動態分配釋放內存。但在嵌入式實時系統中,多次這樣的操作會導致內存碎片,且由於內存管理算法的原因,malloc和free的執行時間也是不確定。

uC/OS-II中把連續的大塊內存按分區管理。每個分區中包含整數個大小相同的內存塊,但不同分區之間的內存塊大小可以不同。用戶需要動態分配內存時,系統選擇一個適當的分區,按塊來分配內存。釋放內存時將該塊放回它以前所屬的分區,這樣能有效解決碎片問題,同時執行時間也是固定的。
 

通信同步

 
對一個多任務的操作系統來說,任務間的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4種同步對象,分別是信號量,郵箱,消息隊列和事件。所有這些同步對象都有創建,等待,發送,查詢的接口用於實現進程間的通信和同步。
 

任務調度

 

uC/OS-II 採用的是可剝奪型實時多任務內核。可剝奪型的實時內核在任何時候都運行就緒了的最高優先級的任務。

uC/OS-II的任務調度是完全基於任務優先級的搶占式調度,也就是最高優先級的任務一旦處於就緒狀態,則立即搶占正在運行的低優先級任務的處理器資源。為了簡化系統設計,uC/OS-II規定所有任務的優先級不同,因為任務的優先級也同時唯一標誌了該任務本身。

1.高優先級的任務因為需要某種臨界資源,主動請求掛起,讓出處理器,此時將調度就緒狀態的低優先級任務獲得執行,這種調度也稱為任務級的上下文切換。

2.高優先級的任務因為時鐘節拍到來,在時鐘中斷的處理程序中,內核發現高優先級任務獲得了執行條件(如休眠的時鐘到時),則在中斷態直接切換到高優先級任務執行。這種調度也稱為中斷級的上下文切換。

這兩種調度方式在uC/OS-II的執行過程中非常普遍,一般來說前者發生在系統服務中,後者發生在時鐘中斷的服務程序中。

調度工作的內容可以分為兩部分:最高優先級任務的尋找和任務切換。其最高優先級任務的尋找是通過建立就緒任務表來實現的。u C / O S 中的每一個任務都有獨立的堆棧空間,並有一個稱為任務控制塊TCB(Task Control Block)的數據結構,其中第一個成員變量就是保存的任務堆棧指針。任務調度模塊首先用變量OSTCBHighRdy 記錄當前最高級就緒任務的TCB 地址,然後調用OS_TASK_SW()函數來進行任務切換。


代碼結構與層級:


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