uC/OS應用的簡單剖析
一. uC/OS-II的移植
移植uC/OS對目標處理器有一定要求,這個可以參照<<uc/OS-II源碼公開的實時嵌入式操作系統>>一書中第8章的內容.
整個嵌入式系統分爲兩大層:硬件層和軟件層.這裏主要研究軟件層的架構.
軟件層主要分爲四個部分:實時操作系統內核,與處理器相關部分,與應用相關部分,用戶的應用系統.
l 實時操作系統內核
實時操作系統對系統資源進行管理。主要包括任務分配和調度、系統時鐘服務、內存管理、消息機制、異常處理等等。uC/OS所有系統服務均由內核提供。內核將應用系統和底層硬件結合成一個完整的實時系統。
移植的時候內核是不變的,開發者根據自己應用系統的需要來選擇實時操作系統內核,開發者不能對內核隨意訪問，只能使用內核提供的功能服務來開發自己的應用系統。內核確定，那麼所提供的系統管理能力，系統服務也就得到了限定。開發者只能在規定的範圍內對系統作些改動.
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這是移植中最關鍵的部分.內核將應用系統和底層硬件有機的結合成一個實時系統,要使同一個內核能適用於不同的硬件體系,就需要在內核和硬件之間有一箇中間層,這就是與處理器相關的代碼.處理器不同,這部分代碼也不同.
我們在移植時需要自己處理這部分代碼,可以自己編寫,也可以直接使用已經成功移植的代碼.
在uC/OS中這一部分代碼分成三個文件:OS_CPU.H, OS_CPU_A.ASM, OS_CPU_C.C
1) OS_CPU.H
包括了用#define定義的與處理器相關的常量,宏和類型定義.
具體來講有系統數據類型定義,棧增長方向定義,關中斷和開中斷定義,系統軟中斷的定義等等.
2) OS_CPU_A.ASM
這部分需要對處理器的寄存器進行操作,所以必須用彙編語言來編寫.包括四個子函數:OSStartHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR().
OSStartHighRdy()在多任務系統啓動函數OSStart()中調用.完成的功能是:設置系統運行標誌位OSRunning = TRUE;將就緒表中最高優先級任務的棧指針Load到SP中,並強制中斷返回.這樣就緒的最高優先級任務就如同從中斷裏返回到運行態一樣,使得整個系統得以運轉.
OSCtxSw()在任務級任務切換函數中調用的.任務級切換是通過SWI或者TRAP人爲製造的中斷來實現的.ISR的向量地址必須指向OSCtxSw().這一中斷完成的功能:保存任務的環境變量(主要是寄存器的值,通過入棧來實現),將當前SP存入任務TCB中,載入就緒最高優先級任務的SP,恢復就緒最高優先級任務的環境變量,中斷返回.這樣就完成了任務級的切換.
OSIntCtxSw()在退出中斷服務函數OSIntExit()中調用,實現中斷級任務切換.由於是在中斷裏調用,所以處理器的寄存器入棧工作已經做完,就不用作這部分工作了.具體完成的任務:調整棧指針(因爲調用函數會使任務棧結構與系統任務切換時堆棧標準結構不一致),保存當前任務SP,載入就緒最高優先級任務的SP,恢復就緒最高優先級任務的環境變量,中斷返回.這樣就完成了中斷級任務切換.
OSTickISR()系統時鐘節拍中斷服務函數,這是一個週期性中斷,爲內核提供時鐘節拍.頻率越高系統負荷越重.其週期的大小決定了內核所能給應用系統提供的最小時間間隔服務.一般只限於ms級(跟MCU有關),對於要求更加苛刻的任務需要用戶自己建立中斷來解決.該函數具體內容:保存寄存器(如果硬件自動完成就可以省略),調用OSIntEnter(),調用OSTimeTick(),調用OSIntExit(),恢復寄存器,中斷返回.
3) OS_CPU_C.C
UC/OS中共定義了6個函數在該文件中.但是最重要的是OSTaskStkInit().其他都是對系統內核的擴展時用的.
OSTaskStkInit()是在用戶建立任務時系統內部自己調用的,對用戶任務的堆棧進行初始化.使建立好的進入就緒態任務的堆棧與系統發生中斷並且將環境變量保存完畢時的棧結構一致.這樣就可以用中斷返回指令使就緒的任務運行起來.
具體的入棧方式要根據不同mcu而定.需要參考用戶使用的mcu說明書.同時還要考慮mcu的棧生成方式.這需要根據具體問題來分析,在此不做過多論述.
3 與應用相關的代碼
這一部分是用戶根據自己的應用系統來定製合適的內核服務功能.包括兩個文件:OS_CFG.H, INCLUDES.H.
OS_CFG.H來配置內核,用戶根據需要對內核進行定製,留下需要的部分,去掉不需要的部分,設置系統的基本情況.比如系統可提供的最大任務數量,是否定製郵箱服務,是否需要系統提供任務掛起功能,是否提供任務優先級動態改變功能等等.
INCLUDES.H系統頭文件,整個實時系統程序所需要的文件,包括了內核和用戶的頭文件.
4 用戶應用系統
這是整個實時系統的最高層,用戶通過利用實時操作系統提供的服務來開發自己的具體程序.
二. 用戶應用系統編寫的模式
kernel提供給用戶一些功能函數,使得用戶的系統建立更加方便,但是kernel內部不會處理用戶的工作,對於整個系統的具體應用工作還得需要用戶自己去考慮,如何利用好這些功能服務函數就成爲一個比較重要的問題.
1. main函數的結構
void main (void)
{
初始化系統的硬件;
OSInit();
任務的建立,消息機制的建立;
OSStart();
}
這裏需要的是在OSStart()執行之前不得啓動中斷,硬件系統還不能工作.必須先讓軟件系統進入工作狀態後才行.
2. 中斷的結構
ISR:
{
保存處理器寄存器的值;
調用OSIntEnter();
執行用戶的工作;
調用OSIntExit();
恢復處理器寄存器的值;
RTI;
}
用戶的中斷形式和以前一樣,沒有什麼大的變化,僅僅是在原來用戶ISR的基礎上在固定的位置加了兩個函數:OSIntEnter(), OSIntExit().
3. 各個任務的結構
void YourTask (void)
{
for(;;)
{
用戶代碼
調用的系統服務
}
}
在任務啓動函數執行完後,系統會切換到最高優先級的任務去執行,此時,可以將系統硬件部分的啓動放在該任務的最前邊,僅僅是啓動時執行一次,主要是啓動系統的節拍中斷,或者一些必須在多任務系統調度後才能初始化的部分,使系統的真正開始工作,達到軟件硬件的基本同步.
Void HighestPrioTask(void)
{
OSStartHardware();
For (;;)
{
用戶代碼
調用的系統服務
}
}
用戶可以按照這些格式去編寫自己的任務,建立自己的應用系統.