|
引言 早在20世紀60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。但直到最近，它才在國內被越來(lái)越多的提及，在通信、電子、自動(dòng)化等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域所曰益顯現的重要性吸引了人們越來(lái)越多的注意力。但是，人們所談?wù)摰耐且恍┲?zhù)名的商業(yè)內核，諸如VxWorks、PSOS等。這些商業(yè)內核性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，主要用于16位和32位處理器中，針對國內大部分用戶(hù)使用的51系列8位單片機，可以選擇免費的uCOS II。 uCOS II的特點(diǎn) 1．uCOS II是由Labrosse先生編寫(xiě)的一個(gè)開(kāi)放式內核，最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)。這一點(diǎn)對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)可謂利弊各半，好處在于，一方面它是免費的，另一方面用戶(hù)可以根據自己的需要對它進(jìn)行修改。缺點(diǎn)在于它缺乏必要的支持，沒(méi)有功能強大的軟件包，用戶(hù)通常需要自己編寫(xiě)驅動(dòng)程序，特別是如果用戶(hù)使用的是不太常用的單片機，還必須自己編寫(xiě)移植程序。 2．uCOS II是一個(gè)占先式的內核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務(wù)可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內核要好。通常我們都是在中斷服務(wù)程序中使高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)（例如發(fā)信號），這樣退出中斷服務(wù)程序后，將進(jìn)行任務(wù)切換，高優(yōu)先級任務(wù)將被執行。拿51單片機為例，比較一下就可以發(fā)現這樣做的好處。假如需要用中斷方式采集一批數據并進(jìn)行處理，在傳統的編程方法中不能在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行復雜的數據處理，因為這會(huì )使得關(guān)中斷時(shí)間過(guò)長(cháng)。所以經(jīng)常采用的方法是置一標志位，然后退出中斷。由于主程序是循環(huán)執行的，所以它總有機會(huì )檢測到這一標志并轉到數據處理程序中去。但是因為無(wú)法確定發(fā)生中斷時(shí)程序到底執行到了什么地方，也就無(wú)法判斷要經(jīng)過(guò)多長(cháng)時(shí)間數據處理程序才會(huì )執行，中斷響應時(shí)間無(wú)法確定，系統的實(shí)時(shí)性不強。如果使用μC/OS-II的話(huà)，只要把數據處理程序的優(yōu)先級設定得高一些，并在中斷服務(wù)程序中使它進(jìn)入就緒態(tài)，中斷結束后數據處理程序就會(huì )被立即執行。這樣可以把中斷響應時(shí)間限制在一定的范圍內。對于一些對中斷響應時(shí)間有嚴格要求的系統，這是必不可少的。但應該指出的是如果數據處理程序簡(jiǎn)單，這樣做就未必合適。因為uCOS II要求在中斷服務(wù)程序末尾使用OSINTEXIT函數以判斷是否進(jìn)行任務(wù)切換，這需要花費一定的時(shí)間。 3．uCOS II和大家所熟知的Linux等分時(shí)操作系統不同，它不支持時(shí)間片輪轉法。uCOS II是一個(gè)基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)操作系統，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級必須不同，分析它的源碼會(huì )發(fā)現，uCOS II把任務(wù)的優(yōu)先級當做任務(wù)的標識來(lái)使用，如果優(yōu)先級相同，任務(wù)將無(wú)法區分。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權，只有等它交出CPU的使用權后，其他任務(wù)才可以被執行。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。顯而易見(jiàn)，如果只考慮實(shí)時(shí)性，它當然比分時(shí)系統好，它可以保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統中，重要任務(wù)畢竟是有限的，這就使得劃分其他任務(wù)的優(yōu)先權變成了一個(gè)讓人費神的問(wèn)題。另外，有些任務(wù)交替執行反而對用戶(hù)更有利。例如，用單片機控制兩小塊顯示屏時(shí)，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。這時(shí)候，要是uCOS II即支持優(yōu)先級法又支持時(shí)間片輪轉法就更合適了。 4．uCOS II對共享資源提供了保護機制。正如上文所提到的，uCOS II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統。一個(gè)完整的程序可以劃分成幾個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)執行不同的功能。這樣，一個(gè)任務(wù)就相當于模塊化設計中的一個(gè)子模塊。在任務(wù)中添加代碼時(shí)，只要不是共享資源就不必擔心互相之間有影響。而對于共享資源（比如串口），uCOS II也提供了很好的解決辦法。一般情況下使用的是信號量的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，先創(chuàng )建一個(gè)信號量并對它進(jìn)行初始化。當一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí)，它必須先申請得到這個(gè)信號量，而一旦得到了此信號量，那就只有等使用完了該資源，信號量才會(huì )被釋放。在這個(gè)過(guò)程中即使有優(yōu)先權更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因為無(wú)法得到此信號量，也不能使用該資源。這個(gè)特點(diǎn)的好處顯而易見(jiàn)，例如當顯示屏正在顯示信息的時(shí)候，外部產(chǎn)生了一個(gè)中斷，而在中斷服務(wù)程序中需要顯示屏顯示其他信息。這樣，退出中斷服務(wù)程序后，原有的信息就可能被破壞了。而在μC/OS-II中采用信號量的方法時(shí)，只有顯示屏把原有信息顯示完畢后才可以顯示新信息，從而可以避免這個(gè)現象。不過(guò)，采用這種方法是以犧牲系統的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的。如果顯示原有信息需要耗費大量時(shí)間，系統只好等待。從結果上看，等于延長(cháng)了中斷響應時(shí)間，這對于未顯示信息是報警信息的情況，無(wú)疑是致命的。發(fā)生這種情況，在μC/OS-II中稱(chēng)為優(yōu)先級反轉，就是高優(yōu)先級任務(wù)必須等待低優(yōu)先級任務(wù)的完成。在上述情況下，在兩個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級反轉是無(wú)法避免的。所以在使用uCOS II時(shí)，必須對所開(kāi)發(fā)的系統了解清楚，才能決定對于某種共享資源是否使用信號量。 uCOS II在單片機使用中的一些特點(diǎn) 1．在單片機系統中嵌入uCOS II將增強系統的可靠性，并使得調試程序變得簡(jiǎn)單。以往傳統的單片機開(kāi)發(fā)工作中經(jīng)常遇到程序跑飛或是陷入死循環(huán)�？梢杂�看門(mén)狗解決程序跑飛問(wèn)題，而對于后一種情況，尤其是其中牽扯到復雜數學(xué)計算的話(huà)，只有設置斷點(diǎn)，耗費大量時(shí)間來(lái)慢慢分析。如果在系統中嵌入 uCOS II的話(huà)，事情就簡(jiǎn)單多了�？梢园颜麄�(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對獨立，然后在每個(gè)任務(wù)中設置超時(shí)函數，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出 CPU的使用權。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問(wèn)題，也不會(huì )影響其他任務(wù)的運行。這樣既提高了系統的可靠性，同時(shí)也使得調試程序變得容易。 2．在單片機系統中嵌入uCOS II將增加系統的開(kāi)銷(xiāo)�，F在所使用的51單片機，一般是指87C51或者89C51，其片內都帶有一定的RAM和 ROM。對于一些簡(jiǎn)單的程序，如果采用傳統的編程方法，已經(jīng)不需要外擴存儲器了。如果在其中嵌入uCOS II的話(huà)，在只需要使用任務(wù)調度、任務(wù)切換、信號量處理、延時(shí)或超時(shí)服務(wù)的情況下，也不需要外擴ROM了，但是外擴RAM是必須的。由于uCOS II是可裁減的操作系統，其所需要的RAM大小就取決于操作系統功能的多少。舉例來(lái)說(shuō)，μC/OS-II允許用戶(hù)定義最大任務(wù)數。由于每建立一個(gè)任務(wù)，都要產(chǎn)生一個(gè)與之相對應的數據結構TCB，該數據結構要占用很大一部分內存空間。所以在定義最大任務(wù)數時(shí)，一定要考慮實(shí)際情況的需要。如果定得過(guò)大，勢必會(huì )造成不必要的浪費。嵌入uCOS II以后，總的RAM需求可以由如下表達式得出： RAM總需求=應用程序的RAM需求+內核數據區的RAM需求+（任務(wù)棧需求+最大中斷嵌套棧需求）·任務(wù)數 所幸的是，μC/OS-II可以對每個(gè)任務(wù)分別定義堆�？臻g的大小，開(kāi)發(fā)人員可根據任務(wù)的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行�？臻g的分配。但在RAM容量有限的情況下，還是應該注意一下對大型數組、數據結構和函數的使用，別忘了，函數的形參也是要推入堆棧的。 3．uCOS II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果沒(méi)有現成的移植實(shí)例的話(huà)，就必須自己來(lái)編寫(xiě)移植代碼。雖然只需要改動(dòng)兩個(gè)文件，但仍需要對相應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，即使有移植實(shí)例，在編程前最好也要閱讀一下，因為里面牽扯到堆棧操作。在編寫(xiě)中斷服務(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應。 4．和其他一些著(zhù)名的嵌入式操作系統不同，uCOS II在單片機系統中的啟動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，不像有些操作系統那樣，需要把內核編譯成一個(gè)映像文件寫(xiě)入ROM中，上電復位后，再從ROM中把文件加載到RAM中去，然后再運行應用程序。uCOS II的內核是和應用程序放在一起編譯成一個(gè)文件的，使用者只需要把這個(gè)文件轉換成HEX格式，寫(xiě)入ROM中就可以了，上電后，會(huì )像普通的單片機程序一樣運行。 結語(yǔ) 由以上介紹可以看出，uCOS II具有免費、使用簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但也有移植困難、缺乏必要的技術(shù)支持等缺點(diǎn)，尤其不像商用嵌入式系統那樣得到廣泛使用和持續的研究更新。但開(kāi)放性又使得開(kāi)發(fā)人員可以自行裁減和添加所需的功能，在許多應用領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)獨特的作用。當然，是否在單片機系統中嵌入uCOS II應視所開(kāi)發(fā)的項目而定，對于一些簡(jiǎn)單的、低成本的項目來(lái)說(shuō)，就沒(méi)必要使用嵌入式操作系統了。 以下課程可免費試聽(tīng)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、Python、安卓等。 想學(xué)習的你和我聯(lián)系預約就可以免費聽(tīng)課了宋工QQ3524659088 Tel/V17317951908 |
