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uC/OS-II是一個(gè)簡(jiǎn)潔、易用的基于優(yōu)先級的嵌入式搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內核。盡管它非常簡(jiǎn)單，但是它的確在很大程度上解放了我的嵌入式開(kāi)發(fā)工作。既然是一個(gè)操作系統內核，那么一旦使用它，就會(huì )涉及到如何基于操作系統設計應用軟件的問(wèn)題。 1. uC/OS-II的任務(wù)框架 void task_xxx(void *pArg) { /* 該任務(wù)的初始化工作 */ …… /* 進(jìn)入該任務(wù)的死循環(huán) */ while(1) { …… } } 每個(gè)用戶(hù)的任務(wù)都必須符合事件驅動(dòng)的編程模型，即uC/OS-II的應用程序都必須是“事件驅動(dòng)的編程模型”。一個(gè)任務(wù)首先等待一個(gè)事件的發(fā)生，事件可以是系統中斷發(fā)出的，也可以是其它任務(wù)發(fā)出的，又可以是任務(wù)自身等待的時(shí)間片。當一個(gè)事件發(fā)生了，任務(wù)再作相應處理，處理結束后又開(kāi)始等待下一個(gè)事件的發(fā)生。如此周而復始的任務(wù)處理模型就是“事件驅動(dòng)的編程模型”。事件驅動(dòng)模型也涵蓋了中斷驅動(dòng)模型，uC/OS-II事件歸根結底來(lái)自三個(gè)方面： (1)中斷服務(wù)函數發(fā)送的事件 (2)系統延時(shí)時(shí)間到所引起的 (3)其它任務(wù)發(fā)送的事件。 其中“中斷服務(wù)函數發(fā)送的事件”就是指每當有硬件中斷發(fā)生，那么中斷服務(wù)程序就會(huì )以事件的形式告訴任務(wù)，而等待該事件的最高優(yōu)先級任務(wù)就會(huì )馬上得以運行；“系統延時(shí)時(shí)間到所引起的”事件其實(shí)也是硬件中斷導致的，那就是系統定時(shí)器中斷。而“其它任務(wù)發(fā)送的事件”則是由任務(wù)代碼自身決定的，這是完全的“軟事件”。不管“軟事件”還是“硬事件”，反正引起uC/OS-II任務(wù)切換的原因就是“事件”，所以用戶(hù)編寫(xiě)應用代碼的時(shí)候一定要體現出“事件驅動(dòng)的編程模型”。 2.uC/OS-II的任務(wù)優(yōu)先級分配 uC/OS-II的任務(wù)優(yōu)先級分配需要按照不同的系統設計具體分析。比如，對實(shí)時(shí)性要求越高的任務(wù)，則優(yōu)先級要越高。 3.uC/OS-II的軟件層次 uC/OS-II會(huì )直接操縱硬件，比如：任務(wù)切換代碼必然要保存和恢復CPU及協(xié)處理器的寄存器；uC/OS-II的內核時(shí)基時(shí)鐘就需要硬件定時(shí)器的中斷。 BSP就是“板極支持包”，它包括基于uC/OS-II而開(kāi)發(fā)的事件驅動(dòng)模型、支持多任務(wù)的驅動(dòng)程序，這些驅動(dòng)程序直接控制各個(gè)硬件模塊并利用uC/OS-II的系統函數來(lái)實(shí)現多任務(wù)功能，它們應該盡量避免應用程序直接操縱硬件和uC/OS-II內核。BSP還應該為應用程序提供標準、統一的API，以達到軟件層次分明、應用軟件代碼可復用的目的。 應用程序就是用戶(hù)為具體應用需要而開(kāi)發(fā)的軟件，它必須符合uC/OS-II的編程模型，即“事件驅動(dòng)的編程模型”。應用程序還應該盡量避免直接控制硬件和直接調用uC/OS-II系統函數、變量，一個(gè)完善的uC/OS-II系統是不需要應用程序來(lái)針對具體硬件而設計的。也就是說(shuō)，uC/OS-II必須擁有完備的設備驅動(dòng)程序，而驅動(dòng)程序和BSP共同提供完備、標準的API。 4.uC/OS-II中使用互斥信號對象應該注意 互斥信號對象(Mutual Exclusion Semaphore)簡(jiǎn)稱(chēng)Mutex，是uC/OS-II的內核對象之一，用于管理那些需要獨占訪(fǎng)問(wèn)的資源，并使其適應多任務(wù)環(huán)境。 創(chuàng )建每一個(gè)Mutex，都需要指定一個(gè)空閑的優(yōu)先級號，這個(gè)優(yōu)先級號的優(yōu)先級必須比所有可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級都高！ uC/OS-II的Mutex實(shí)現原理大致如下： 當一個(gè)低優(yōu)先級的任務(wù)A申請并得到了Mutex，于是它獲得資源訪(fǎng)問(wèn)權。如果此后有一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)B開(kāi)始運行(此時(shí)任務(wù)A已經(jīng)被剝奪)，而且也要求得到Mutex，系統就會(huì )把任務(wù)A的優(yōu)先級提高到Mutex所指定的優(yōu)先級。由于此優(yōu)先級高于任何可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級，所以任務(wù)A會(huì )馬上獲得CPU控制權。一直到任務(wù)A釋放Mutex，任務(wù)A才回到它原有的優(yōu)先級，這時(shí)任務(wù)B就可以擁有該Mutex了。 應該注意的是：當任務(wù)A得到Mutex后，就不要再等待其它內核對象(諸如：信號量、郵箱、隊列、事件標志等等)了，而應該盡量快速的完成工作，釋放Mutex。否則，這樣的Mutex就失去了作用，而且效果比直接使用信號量(Sem)更糟糕！ 雖然普通的信號量(Sem)也可以用于互斥訪(fǎng)問(wèn)某獨占資源，但是它可能引起“優(yōu)先級反轉”的問(wèn)題。假設上面的例子使用的是Sem，當任務(wù)A得到Sem后，那么任務(wù)C(假設任務(wù)C的優(yōu)先級比A高，但比B低)就緒的話(huà)將獲得CPU控制權，于是任務(wù)A和任務(wù)B都被剝奪CPU控制權。任務(wù)C的優(yōu)先級比B低，卻優(yōu)先得到了CPU！而如果任務(wù)A是優(yōu)先級最低的任務(wù)，那么它就要等到所有比它優(yōu)先級高的任務(wù)都掛起之后才會(huì )擁有CPU，那么任務(wù)B(優(yōu)先級最高的任務(wù))跟著(zhù)它一起倒霉！這就是優(yōu)先級反轉問(wèn)題，這是違背“基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統”原則的！ 綜上所述，uC/OS-II中多個(gè)任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)獨占資源時(shí)，最好使用Mutex，但是Mutex是比較消耗CPU時(shí)間和內存的。如果某高優(yōu)先級的任務(wù)要使用獨占資源，但是不在乎久等的情況下，就可以使用Sem，因為Sem是最高效最省內存的內核對象。 5.uC/OS-II應用程序調用OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數應注意 uC/OS-II的OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數允許應用程序鎖定當前任務(wù)不被其它任務(wù)搶占。使用時(shí)應當注意的是：當你調用了OSSchedLock()之后，而在調用OSSchedUnlock()之前，千萬(wàn)不要再調用諸如OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類(lèi)的事件等待函數！而且應當確保OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數成對出現，特別是在有些分支條件語(yǔ)句中，要考慮各種分支情況，不要有遺漏！ 需要一并提醒用戶(hù)的是：當您調用開(kāi)關(guān)中斷函數OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()時(shí)也要確保成對出現，否則系統將可能崩潰！不過(guò)，在OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()函數之間調用OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類(lèi)的事件等待函數是允許的。 6.uC/OS-II驅動(dòng)程序編寫(xiě)規范，特別推薦 首先應該闡明的是，我們這里討論的是“驅動(dòng)程序”，而不是“中斷服務(wù)程序”，這兩個(gè)詞語(yǔ)往往被用戶(hù)混淆。 (1)中斷服務(wù)程序指那種硬件中斷一旦發(fā)生，就會(huì )立即被硬件中斷控制器調用的一小段程序，它的操作追求簡(jiǎn)單明了，越快速越精簡(jiǎn)就越好。 (2)驅動(dòng)程序是指封裝了某種硬件操作細節的函數集，它提供給應用程序的是統一、標準、清晰、易用的API。 對于中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)，往往與驅動(dòng)程序的設計相關(guān)聯(lián)。比如驅動(dòng)程序提供異步操作的功能，那么就需要中斷服務(wù)程序為它準備緩沖區和一個(gè)結構體，并且中斷服務(wù)程序會(huì )依照這個(gè)結構體的成員參數自動(dòng)完成所要求的操作。又如，串口(UART)中斷服務(wù)程序的設計有兩種：基于數據包傳輸和基于單字節傳輸，前者適用于以數據包為單位的通信程序，而后者適用于如超級終端這樣的應用程序。 如果在一個(gè)系統中，要求使用同一個(gè)硬件設備完成幾種不同的操作方式，就需要設計一個(gè)通用的驅動(dòng)程序，而該驅動(dòng)程序可以根據需要安裝各種針對性很強的中斷服務(wù)程序。 在設計驅動(dòng)程序時(shí)，特別需要注意的是，某些外設的操作往往以一個(gè)連續而嚴格的時(shí)序作為原子操作，比如用I/O端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)DS1302、24C01、LM75A等等。在這類(lèi)設備的操作過(guò)程中，不允許有其它任務(wù)來(lái)控制對應的I/O端口，否則會(huì )引起數據錯誤甚至器件損壞。所以，這種設備的驅動(dòng)程序都應該仔細設計“原子操作”，把必須連貫操作的時(shí)序控制代碼用互斥對象封裝成一個(gè)“原子操作”，以適應多任務(wù)環(huán)境。其實(shí)，大部分設備都是這樣，需要確定“原子操作”，如LCD、RTL8019AS、Flash等等也是如此。 1.AI時(shí)代FPGA廠(chǎng)商與FPGA工程師該如何轉型？ 2.介紹幾款嵌入式開(kāi)發(fā)工具，或許能用上！ 3.牛人已經(jīng)總結了單片機應用程序架構，去看即可！ 4.4 月編程語(yǔ)言排行榜：萬(wàn)年不變的前三 5.通過(guò)這 9 本開(kāi)源好書(shū)學(xué)習 C 語(yǔ)言 6.ARM寄存器與匯編指令詳解 更多嵌入式學(xué)習，歡迎咨詢(xún)余工Q 二八五九七八零二零三 |
