原创 uC/OS操作系统应用分析

这是小弟我一年前的研究成果，发出来大家交流一下。   目前正在研究嵌入式实时软件系统设计方法，有兴趣的高手交流一下。这里给大家简单剖析一下uCOS吧，希望对大家能有所帮助。不足之处多多指教，有问题可以讨论。 

一. uC/OS-II的移植

    移植uC/OS对目标处理器有一定要求,这个可以参照<<uc/OS-II源码公开的实时嵌入式操作系统>>一书中第8章的内容.
    整个嵌入式系统分为两大层:硬件层和软件层.这里主要研究软件层的架构.
    软件层主要分为四个部分:实时操作系统内核,与处理器相关部分,与应用相关部分,用户的应用系统.

    l  实时操作系统内核

        实时操作系统对系统资源进行管理。主要包括任务分配和调度、系统时钟服务、内存管理、消息机制、异常处理等等。uC/OS所有系统服务均由内核提供。内核将应用系统和底层硬件结合成一个完整的实时系统。
        移植的时候内核是不变的,开发者根据自己应用系统的需要来选择实时操作系统内核,开发者不能对内核随意访问，只能使用内核提供的功能服务来开发自己的应用系统。内核确定，那么所提供的系统管理能力，系统服务也就得到了限定。开发者只能在规定的范围内对系统作些改动.

    2  与处理器相关的代码

        这是移植中最关键的部分.内核将应用系统和底层硬件有机的结合成一个实时系统,要使同一个内核能适用于不同的硬件体系,就需要在内核和硬件之间有一个中间层,这就是与处理器相关的代码.处理器不同,这部分代码也不同.
            我们在移植时需要自己处理这部分代码,可以自己编写,也可以直接使用已经成功移植的代码.
            在uC/OS中这一部分代码分成三个文件:OS_CPU.H, OS_CPU_A.ASM, OS_CPU_C.C

        1)   OS_CPU.H

            包括了用#define定义的与处理器相关的常量,宏和类型定义.
            具体来讲有系统数据类型定义,栈增长方向定义,关中断和开中断定义,系统软中断的定义等等.

        2)   OS_CPU_A.ASM

            这部分需要对处理器的寄存器进行操作,所以必须用汇编语言来编写.包括四个子函数:OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR().
            OSStartHighRdy ()在多任务系统启动函数OSStart()中调用.完成的功能是:设置系统运行标志位OSRunning = TRUE;将就绪表中最高优先级任务的栈指针Load到SP中,并强制中断返回.这样就绪的最高优先级任务就如同从中断里返回到运行态一样,使得整个系统得以运转.
            OSCtxSw()在任务级任务切换函数中调用的.任务级切换是通过SWI或者TRAP人为制造的中断来实现的.ISR的向量地址必须指向OSCtxSw().这一中断完成的功能:保存任务的环境变量(主要是寄存器的值,通过入栈来实现),将当前SP存入任务TCB中,载入就绪最高优先级任务的SP,恢复就绪最高优先级任务的环境变量,中断返回.这样就完成了任务级的切换.
            OSIntCtxSw()在退出中断服务函数OSIntExit()中调用,实现中断级任务切换.由于是在中断里调用,所以处理器的寄存器入栈工作已经做完,就不用作这部分工作了.具体完成的任务:调整栈指针(因为调用函数会使任务栈结构与系统任务切换时堆栈标准结构不一致),保存当前任务SP,载入就绪最高优先级任务的SP,恢复就绪最高优先级任务的环境变量,中断返回.这样就完成了中断级任务切换.
            OSTickISR()系统时钟节拍中断服务函数,这是一个周期性中断,为内核提供时钟节拍.频率越高系统负荷越重.其周期的大小决定了内核所能给应用系统提供的最小时间间隔服务.一般只限于ms级(跟MCU有关),对于要求更加苛刻的任务需要用户自己建立中断来解决.该函数具体内容:保存寄存器(如果硬件自动完成就可以省略),调用OSIntEnter(),调用OSTimeTick(),调用OSIntExit(),恢复寄存器,中断返回.

        3)   OS_CPU_C.C

            UC/OS中共定义了6个函数在该文件中.但是最重要的是OSTaskStkInit().其他都是对系统内核的扩展时用的.
            OSTaskStkInit()是在用户建立任务时系统内部自己调用的,对用户任务的堆栈进行初始化.使建立好的进入就绪态任务的堆栈与系统发生中断并且将环境变量保存完毕时的栈结构一致.这样就可以用中断返回指令使就绪的任务运行起来.
            具体的入栈方式要根据不同mcu而定.需要参考用户使用的mcu说明书.同时还要考虑mcu的栈生成方式.这需要根据具体问题来分析,在此不做过多论述.

    3  与应用相关的代码

            这一部分是用户根据自己的应用系统来定制合适的内核服务功能.包括两个文件:OS_CFG.H, INCLUDES.H.
            OS_CFG.H来配置内核,用户根据需要对内核进行定制,留下需要的部分,去掉不需要的部分,设置系统的基本情况.比如系统可提供的最大任务数量,是否定制邮箱服务,是否需要系统提供任务挂起功能,是否提供任务优先级动态改变功能等等.
            INCLUDES.H系统头文件,整个实时系统程序所需要的文件,包括了内核和用户的头文件.

    4   用户应用系统

            这是整个实时系统的最高层,用户通过利用实时操作系统提供的服务来开发自己的具体程序.

二. 用户应用系统编写的模式
    kernel提供给用户一些功能函数,使得用户的系统建立更加方便,但是kernel内部不会处理用户的工作,对于整个系统的具体应用工作还得需要用户自己去考虑,如何利用好这些功能服务函数就成为一个比较重要的问题.

    1.  main函数的结构

        void main (void)
        {
            初始化系统的硬件;
            OSInit();
            任务的建立,消息机制的建立;
            OSStart();
        }
        这里需要的是在OSStart()执行之前不得启动中断,硬件系统还不能工作.必须先让软件系统进入工作状态后才行.

    2. 中断的结构

        ISR:
            {
                保存处理器寄存器的值;
                调用OSIntEnter();

                执行用户的工作;
                调用OSIntExit();
                恢复处理器寄存器的值;
                RTI;
            }
        用户的中断形式和以前一样,没有什么大的变化,仅仅是在原来用户ISR的基础上在固定的位置加了两个函数:OSIntEnter(), OSIntExit().

    3. 各个任务的结构

        void YourTask (void)
        {
        for(;;)
        {
        用户代码
        调用的系统服务
        }
        }
        在任务启动函数执行完后,系统会切换到最高优先级的任务去执行,此时,可以将系统硬件部分的启动放在该任务的最前边,仅仅是启动时执行一次,主要是启动系统的节拍中断,或者一些必须在多任务系统调度后才能初始化的部分,使系统的真正开始工作,达到软件硬件的基本同步.
        Void    HighestPrioTask(void)
        {
          OSStartHardware();
          For (;;)
          {
              用户代码
              调用的系统服务
          }
        }
        用户可以按照这些格式去编写自己的任务,建立自己的应用系统.