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嵌入式操作系统UCOSII的内核结构及介绍

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本文章讲述了嵌入式操作系统UCOSII的内核结构及介绍.
1 引言
  
以前在我们一般所使用的系统中,任务没有优先级之分。应用程序是一个无限的循环,任务函数按在代码中的顺序运行,处理相应的事务。时间相关性强的任务处理使用中断机制,但是当系统比较复杂、中断资源有限时,中断程序只能将处理该任务的信息条件准备好后返回。当程序按顺序没有执行到该任务时,该任务的执行必须等待,所以将会造成任务每次的执行时间间隔不定,不能及时处理紧急事务,影响系统的运行。这种情况在要求限定时间内周期性处理事务的系统中是不允许发生的,而且只由应用者编写的复杂程序很可能会出现Bug。
  
嵌入式操作系统是实时操作系统,运行于特定的硬件平台上,一般包括处理器、存储器及外设器件和I/O端口,包括操作系统软件,要求实时和多任务操作,用户可以在其基础上添加应用程序。使用嵌入式操作系统的用户只需添加所需的任务到操作系统中即可,既节省开发时间,又提高程序的可靠性。
  
2 UC/OSII及其任务介绍
  
UC/OSII(Micro Control Operation System Two)是一种源代码公开的嵌入式操作系统,程序绝大部分是用C语言写的,带有少量的汇编程序,并且有详细的说明和示例,可移植性好、易调试,稳定性与可靠性高,功能也比较完善。UC/OSII和其他大部分的嵌入式操作系统的内核都是占先式内核,被分为最高优先级的任务一旦准备就绪,立刻就能得到CPU的控制权,可以剥夺低优先级任务的CPU使用权,处理系统最紧急的事务。
  
UC/OSII的任务实际是一段程序,执行特定的功能,拥有自己的代码和堆栈空间(保存该任务的寄存器、返回地址和临时参数),一般都是空函数,不会返回任何值。任务执行一次后,设置延时参数OSTCBDly,表明在经过OSTCBDly个时钟周期后再次运行,然后任务进行切换,使其他任务运行。
  例如:
  void Task(void)
  { 参数定义
  for(;;) {
  任务执行代码
  OSTimeDly( ) 延时函数 ;清除任务就绪标志,设置延时的时钟周期参数,调用OSSched( )进行任务调度
  } }
  
3 UC/OSII的内核数据结构
  
(1) 任务控制块OS?_TCB

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(2) 任务就绪表OSRdyTbl[]和OSRdyGrp

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每个任务的就绪状态标志都放入就绪表中(如图1所示),OSRdyTbl[ ]中的每一位为1表示相应优先级的任务处于就绪状态,OSRdyGrp中的每一位为1,表示每8个为一组的任务中至少有1个已经就绪,值越小优先级越高。
  
4 UC/OSII内核的运行机制
  
任何计算机系统都有时钟,他是计算机世界的时间,通过定时器的定时中断,产生时间间隔,每个间隔是任务执行的时间周期,在一个间隔内所有应该执行的任务都应执行一次,不能因为时间间隔太小而有的任务没有时间执行。因此,任务的多少、时间周期的确定、CPU的选择需仔细考虑,确保在一个周期内CPU任务的运行时间所占比重不要太大。
  
主程序首先对系统进行初始化,给各个参数赋值,根据任务的多少来建立任务控制块链表,并且首先建立一个最低优先级的空闲任务,当没有其他任务需要运行时,对一个变量进行累加计算来计算空闲时间。任务创建函数分配的一块内存,保存寄存器的值和该任务的代码地址,再把堆栈的地址存入任务控制块,从而把任务程序代码、任务堆栈和任务控制块联系在一起。操作系统内核可以通过任务控制块找到任务堆栈,从堆栈中取得任务代码地址。基本结构如图2所示。?


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任务的切换发生在2个时候,第1个是当某一任务运行完毕时就调用延时函数,使自身延时一个或几个时钟周期,进行任务切换,运行就绪的最高优先级最高任务;第2个是每一次时钟周期中断后,中断程序处理事务时,可能使一些任务运行准备就绪,然后重新整理和搜索任务就绪表,进行任务切换(如图3所示),选出其中的高优先级任务运行。?


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嵌入式操作系统是多任务的,任务切换是其核心技术,由汇编语言编写。任务切换函数OS_TASK_SW( )被设置成中断函数,调用时使用的是软件中断指令,这样在进入中断程序之前,当前任务的代码地址和状态字就自动保存在当前任务的堆栈顶部。下面用8086的程序举例切换函数:
  
(1) _OS_TASK_SW(或_OSIntCtxSw)PROC FAR中断程序。
  
(2) PUSH指令该指令针对_OS_TASK_SW,保存当前任务寄存器到该任务的堆栈,代码地址已经保存。
  
(3) ADD SP,n该指令针对?_OSIntCtxSw,因为该函数由中断程序调用,运行他之前曾调用一些函数,堆栈发生变化,所以需要调整,去掉前几个函数的保存地址和参数,而代码地址在发生中断时就已经保存。

(4) 保存该任务的当前堆栈地址到该任务控制块OS_TCB,即保存SS和SP。
  
(5) 调入已就绪最高优先级任务控制块,取出其原来保存的任务堆栈地址,即赋值给SS和SP。
  
(6) POP指令恢复新任务的寄存器。
  
(7) IRET中断指令返回时,CPU从堆栈顶部即SS:SP指向的位置取出以前所保存的代码地址和状态字,并从此地址恢复原来任务的运行。
  
5 程序举例
  
一个最简单的嵌入式操作系统8086程序例子:在主程序运行完毕后,各任务开始轮流执行。


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6 结语
  
UC/OSII还有时间管理、内存分配的功能,并且使用了信号量、邮箱和信息队列,使各任务之间可以互相通讯,协调对各种事务的管理,适用于小型的高端CPU。已经有许多公司以其为核心,进行功能扩展,从而开发自己的嵌入式操作系统,并且由于其代码简练,JEAN J.LABROSSE专门写书对其讲解,也可以非常好地用于教学。
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