uCOS-II 初級程序員指南，了解一下！

技術(shù)小白

(一) uC/OS-II 簡(jiǎn)介
uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的硬實(shí)時(shí)內核。自從92年發(fā)布以來(lái)，在世界各地都獲得了廣泛的應用，它是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式設備設計的內核，目前已經(jīng)被移植到40多種不同結構的CPU上，運行在從8位到64位的各種系統之上。尤其值得一提的是，該系統自從2.51版本之后，就通過(guò)了美國FAA認證，可以運行在諸如航天器等對安全要求極為苛刻的系統之上。鑒于uC/OS-II可以免費獲得代碼，對于嵌入式RTOS而言，選擇uC/OS無(wú)疑是最經(jīng)濟的選擇。

(二) uC/OS-II　應用程序基本結構
應用uC/OS-II，自然要為它開(kāi)發(fā)應用程序，下面論述基于uC/OS-II的應用程序的基本結構以及注意事項。

每一個(gè)uC/OS-II應用至少要有一個(gè)任務(wù)。而每一個(gè)任務(wù)必須被寫(xiě)成無(wú)限循環(huán)的形式。以下是推薦的結構：
void task ( void* pdata )
{
INT8U err;
InitTimer(); // 可選
For( ;; )
{
// 你的應用程序代碼
…….
……..
OSTimeDly(1); // 可選
}
}

以上就是基本結構，至于為什么要寫(xiě)成無(wú)限循環(huán)的形式呢?那是因為系統會(huì )為每一個(gè)任務(wù)保留一個(gè)堆�？臻g，由系統在任務(wù)切換的時(shí)候換恢復上下文，并執行一條reti 指令返回。如果允許任務(wù)執行到最后一個(gè)花括號(那一般都意味著(zhù)一條ret指令)的話(huà)，很可能會(huì )破壞系統堆�？臻g從而使應用程序的執行不確定。換句話(huà)說(shuō)，就是“跑飛”了。所以，每一個(gè)任務(wù)必須被寫(xiě)成無(wú)限循環(huán)的形式。程序員一定要相信，自己的任務(wù)是會(huì )放棄CPU使用權的，而不管是系統強制(通過(guò)ISR)還是主動(dòng)放棄(通過(guò)調用OS API)。

現在來(lái)談?wù)撋厦娉绦蛑械腎nitTimer()函數，這個(gè)函數應該由系統提供，程序員有義務(wù)在優(yōu)先級最高的任務(wù)內調用它而且不能在for循環(huán)內調用。注意，這個(gè)函數是和所使用的CPU相關(guān)的，每種系統都有自己的Timer初始化程序。在uC/OS-II的幫助手冊?xún)�，作者特地強調絕對不能在OSInit()或者OSStart()內調用Timer初始化程序，那會(huì )破壞系統的可移植性同時(shí)帶來(lái)性能上的損失。所以，一個(gè)折中的辦法就是象上面這樣，在優(yōu)先級最高的程序內調用，這樣可以保證當OSStart()調用系統內部函數OSStartHighRdy()開(kāi)始多任務(wù)后，首先執行的就是Timer初始化程序�；蛘邔�(zhuān)門(mén)開(kāi)一個(gè)優(yōu)先級最高的任務(wù)，只做一件事情，那就是執行Timer初始化，之后通過(guò)調用OSTaskSuspend()將自己掛起來(lái)，永遠不再執行。不過(guò)這樣會(huì )浪費一個(gè)TCB空間。對于那些RAM吃緊的系統來(lái)說(shuō)，還是不用為好。

(三) 一些重要的uC/OS-II API介紹
任何一個(gè)操作系統都會(huì )提供大量的API供程序員使用，uC/OS-II也不例外。由于uC/OS-II面向的是嵌入式開(kāi)發(fā)，并不要求大而全，所以?xún)群颂峁┑腁PI也就大多和多任務(wù)息息相關(guān)。主要的有以下幾類(lèi)：
1)任務(wù)類(lèi)
2)消息類(lèi)
3)同步類(lèi)
4)時(shí)間類(lèi)
5)臨界區與事件類(lèi)

我個(gè)人認為對于初級程序員而言，任務(wù)類(lèi)和時(shí)間類(lèi)是必須要首先掌握的兩種類(lèi)型的API。下面我就來(lái)介紹比較重要的：
1) OSTaskCreate函數
這個(gè)函數應該至少再main函數內調用一次，在OSInit函數調用之后調用。作用就是創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)。目前有四個(gè)參數，分別是任務(wù)的入口地址，任務(wù)的參數，任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級。調用本函數后，系統會(huì )首先從TCB空閑列表內申請一個(gè)空的TCB指針，然后將會(huì )根據用戶(hù)給出參數初始化任務(wù)堆棧，并在內部的任務(wù)就緒表內標記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個(gè)任務(wù)就創(chuàng )建成功了。

2) OSTaskSuspend函數
這個(gè)函數很簡(jiǎn)單，一看名字就該明白它的作用，它可以將指定的任務(wù)掛起。如果掛起的是當前任務(wù)的話(huà)，那么還會(huì )引發(fā)系統執行任務(wù)切換先導函數OSShed來(lái)進(jìn)行一次任務(wù)切換。這個(gè)函數只有一個(gè)參數，那就是指定任務(wù)的優(yōu)先級。那為什么是優(yōu)先級呢?事實(shí)上在系統內部，優(yōu)先級除了表示一個(gè)任務(wù)執行的先后次序外，還起著(zhù)分別每一個(gè)任務(wù)的作用，換句話(huà)說(shuō)，優(yōu)先級也就是任務(wù)的ID。所以uC/OS-II不允許出現相同優(yōu)先級的任務(wù)。

3) OSTaskResume函數
這個(gè)函數和上面的函數正好相反，它用于將指定的已經(jīng)掛起的函數恢復成就緒狀態(tài)。如果恢復任務(wù)的優(yōu)先級高于當前任務(wù)，那么還為引發(fā)一次任務(wù)切換。其參數類(lèi)似OSTaskSuspend函數，為指定任務(wù)的優(yōu)先級。需要特別說(shuō)明是，本函數并不要求和OSTaskSuspend函數成對使用。

4) OS_ENTER_CRITICAL宏
很多人都以為它是個(gè)函數，其實(shí)不然，仔細分析一下OS_CPU.H文件，它和下面馬上要談到的OS_EXIT_CRITICAL都是宏。他們都是涉及特定CPU的實(shí)現。一般都被替換為一條或者幾條嵌入式匯編代碼。由于系統希望向上層程序員隱藏內部實(shí)現，故而一般都宣稱(chēng)執行此條指令后系統進(jìn)入臨界區。其實(shí)，它就是關(guān)個(gè)中斷而已。這樣，只要任務(wù)不主動(dòng)放棄CPU使用權，別的任務(wù)就沒(méi)有占用CPU的機會(huì )了，相對這個(gè)任務(wù)而言，它就是獨占了。所以說(shuō)進(jìn)入臨界區了。這個(gè)宏能少用還是少用，因為它會(huì )破壞系統的一些服務(wù)，尤其是時(shí)間服務(wù)。并使系統對外界響應性能降低。

5) OS_EXIT_CRITICAL宏
這個(gè)是和上面介紹的宏配套使用另一個(gè)宏，它在系統手冊里的說(shuō)明是退出臨界區。其實(shí)它就是重新開(kāi)中斷。需要注意的是，它必須和上面的宏成對出現，否則會(huì )帶來(lái)意想不到的后果。最壞的情況下，系統會(huì )崩潰。我們推薦程序員們盡量少使用這兩個(gè)宏調用，因為他們的確會(huì )破壞系統的多任務(wù)性能。

6) OSTimeDly函數
這應該程序員們調用最多的一個(gè)函數了，這個(gè)函數完成功能很簡(jiǎn)單，就是先掛起當起當前任務(wù)，然后進(jìn)行任務(wù)切換，在指定的時(shí)間到來(lái)之后，將當前任務(wù)恢復為就緒狀態(tài)，但是并不一定運行，如果恢復后是優(yōu)先級最高就緒任務(wù)的話(huà)，那么運行之。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是可以任務(wù)延時(shí)一定時(shí)間后再次執行它，或者說(shuō)，暫時(shí)放棄CPU的使用權。一個(gè)任務(wù)可以不顯式的調用這些可以導致放棄CPU使用權的API，但那樣多任務(wù)性能會(huì )大大降低，因為此時(shí)僅僅依靠時(shí)鐘機制在進(jìn)行任務(wù)切換。一個(gè)好的任務(wù)應該在完成一些操作主動(dòng)放棄使用權，好東西要大家分享嘛!

(四) uC/OS-II 多任務(wù)實(shí)現機制分析
前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的可搶先的多任務(wù)內核。那么，它的多任務(wù)機制到底如何實(shí)現的呢?了解這些原理，可以幫助我們寫(xiě)出更加健壯的代碼來(lái)。由于我們面向的初級程序員，本文不打算寫(xiě)成又一篇uC/OS-II的源碼分析，那樣的文章太多了，本文打算從實(shí)現原理的角度探討這個(gè)問(wèn)題。

首先我們來(lái)看看為什么多任務(wù)機制可以實(shí)現?其實(shí)在單一CPU的情況下，是不存在真正的多任務(wù)機制的，存在的只有不同的任務(wù)輪流使用CPU，所以本質(zhì)上還是單任務(wù)的。但由于CPU執行速度非�？�，加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺(jué)好像有很多任務(wù)同時(shí)在運行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機制。

由上面的描述，不難發(fā)現，要實(shí)現多任務(wù)機制，那么目標CPU必須具備一種在運行期更改PC的途徑，否則無(wú)法做到切換。不幸的使，直接設置PC指針，目前還沒(méi)有哪個(gè)CPU支持這樣的指令。但是一般CPU都允許通過(guò)類(lèi)似JMP，CALL這樣的指令來(lái)間接的修改PC。我們的多任務(wù)機制的實(shí)現也正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)。事實(shí)上，我們使用CALL指令或者軟中斷指令來(lái)修改PC，主要是軟中斷。但在一些CPU上，并不存在軟中斷這樣的概念，所以，我們在那些CPU上，使用幾條PUSH指令加上一條CALL指令來(lái)模擬一次軟中斷的發(fā)生。

回想一下你在微機原理課程上學(xué)過(guò)的知識，當發(fā)生中斷的時(shí)候，CPU保存當前的PC和狀態(tài)寄存器的值到堆棧里，然后將PC設置為中斷服務(wù)程序的入口地址，再下來(lái)一個(gè)機器周期，就可以去執行中斷服務(wù)程序了。執行完畢之后，一般都是執行一條RETI指令，這條指令會(huì )把當前堆棧里的值彈出恢復到狀態(tài)寄存器和PC里。這樣，系統就會(huì )回到中斷以前的地方繼續執行了。那么設想一下?如果再中斷的時(shí)候，人為的更改了堆棧里的值，那會(huì )發(fā)生什么?或者通過(guò)更改當前堆棧指針的值，又會(huì )發(fā)生什么呢?如果更改是隨意的，那么結果是無(wú)法預料的錯誤。因為我們無(wú)法確定機器下一條會(huì )執行些什么指令，但是如果更改是計劃好的，按照一定規則的話(huà)，那么我們就可以實(shí)現多任務(wù)機制。事實(shí)上，這就是目前幾乎所有的OS的核心部分。不過(guò)他們的實(shí)現不像這樣簡(jiǎn)單罷了。

下面，我們來(lái)看看uC/OS-II再這方面是怎么處理的。再u(mài)C/OS-II里，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)控制塊(Task Control Block)，這是一個(gè)比較復雜的數據結構。在任務(wù)控制快的偏移為0的地方，存儲著(zhù)一個(gè)指針，它記錄了所屬任務(wù)的專(zhuān)用堆棧地址。事實(shí)上，再u(mài)C/OS-II內，每個(gè)任務(wù)都有自己的專(zhuān)用堆棧，彼此之間不能侵犯。這點(diǎn)要求程序員再他們的程序中保證。一般的做法是把他們申明成靜態(tài)數組。而且要申明成OS_STK類(lèi)型。當任務(wù)有了自己的堆棧，那么就可以將每一個(gè)任務(wù)堆棧再那里記錄到前面談到的任務(wù)控制快偏移為0的地方。以后每當發(fā)生任務(wù)切換，系統必然會(huì )先進(jìn)入一個(gè)中斷，這一般是通過(guò)軟中斷或者時(shí)鐘中斷實(shí)現。然后系統會(huì )先把當前任務(wù)的堆棧地址保存起來(lái)，僅接著(zhù)恢復要切換的任務(wù)的堆棧地址。由于哪個(gè)任務(wù)的堆棧里一定也存的是地址(還記得我們前面說(shuō)過(guò)的，每當發(fā)生任務(wù)切換，系統必然會(huì )先進(jìn)入一個(gè)中斷，而一旦中斷CPU就會(huì )把地址壓入堆棧)，這樣，就達到了修改PC為下一個(gè)任務(wù)的地址的目的。

以上就是uC/OS-II的多任務(wù)實(shí)現機制，我們在這里大費筆墨談?wù)撨@個(gè)問(wèn)題，是希望我們的程序員們可以善加利用這個(gè)機制，寫(xiě)出更健壯，更富有效率的代碼來(lái)。
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