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1、嵌入式系统基础教程第19讲第9章嵌入式操作系统 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第9章章 嵌入式操作系统概论嵌入式操作系统概论l本讲内容l实时系统l嵌入式操作系统的特点和分类lRTOS常用调度算法l启动程序bootloaderl嵌入式操作系统C/OS-II 2008年12月15日2南京大学计算机系9.5 嵌入式操作系统嵌入式操作系统C/OS-II lC/OS-II的主要特点lC/OS-II的层次lC/OS-II的代码结构lC/OS-II的内核lC/
2、OS-II的任务调度lC/OS-II的任务切换lC/OS-II的中断处理lC/OS-II的时间管理lC/OS-II的任务间通信lC/OS-II的存储管理lC/OS-II的移植2008年12月15日3南京大学计算机系C/OS-II简介简介l作者：Jean Labrossel源码公开的嵌入式实时系统l已被移植到40多种不同的CPU上lhttp:/www.C/OS-II.com提供技术服务支持。2008年12月15日4南京大学计算机系C/OS-II的主要特点的主要特点l可移植性和可确定性 l绝大部分代码用ANSI C编写l与处理器硬件相关的代码用汇编语言编写l移植条件移植目标处理器要有硬件堆栈指针C
3、PU内容寄存器入栈、出栈指令C编译器支持内嵌汇编或C可扩展，可连接汇编模块关中断、开中断可在C语言中实现2008年12月15日5南京大学计算机系C/OS-II的主要特点（续的主要特点（续1）l抢占式多任务 l可以管理64个任务,8个任务是系统任务l用户可以最多定义56个任务，每个任务优先级不相同l实时性较强，参看下表OSVxWorksC/OS-IIRT-LinuxQNX6供应商Wind RiverMicriumFSMlabsQuanturm硬件平台MC6800080486/33MHz80486/60MHz80486/33MHz任务切换3.8微秒9微秒不详12.57微秒中断响应3微秒7.5微秒2
4、5微秒7.54微秒4 4种嵌入式操作系统的实时性能典型值种嵌入式操作系统的实时性能典型值2008年12月15日6南京大学计算机系C/OS-II的主要特点（续的主要特点（续2）l可固化可裁剪 l实用程序可以只使用C/OS-II中需要的那些系统服务l任务由独立堆栈lC/OS-II允许每个任务由不同的栈空间l嵌套中断管理l嵌套层数可达255层2008年12月15日7南京大学计算机系C/OS-II的层次的层次lC/OS-II嵌入式系统软件架构（见下页），是一个建立在硬件系统上的四层软件结构l最上层是应用软件层lAPI层和支撑软件层l内核l设备驱动程序2008年12月15日8南京大学计算机系C/OS-I
5、I的层次示意图的层次示意图l基于C/OS-II的嵌入式系统软件层次示意图如右图所示2008年12月15日9南京大学计算机系C/OS-II的代码结构的代码结构l基于C/OS-II平台的嵌入式系统体系结构如右下图所示lC/OS-II主要由三大类程序文件构成A类：处理器无关B类：应用程序有关C类：硬件平台相关2008年12月15日10南京大学计算机系C/OS-II的代码结构（续）的代码结构（续）l按功能分l核心模块、预处理模块、进程间通信模块、内存管理模块、任务与调度管理器模块、时间管理模块、移植模块lC/OS-II的源代码文件组成l见教材第344页表9-52008年12月15日11南京大学计算机系
6、C/OS-II的代码结构（续）的代码结构（续）lC/OS-II的任务代码有两种框架结构，如下列出：void Usertask(void*pdata)for(;)用户代码;OSMboxPend();OSQPend();OSSemPend();OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);OSTimeDly();OSTimeDlyHMSM();用户代码;void Usertask(void*pdata)用户代码;OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);2008年12月15日12南京大学计算机系C/OS-II的代码结构（续）的代码结构
7、（续）l对于执行无限循环的任务，通常采用第一种形式；对于只执行一次就自我删除的任务，采用第二种形式。l以下是推荐的C/OS-II应用程序任务的基本结构 void Usertask(void*pdata)INT8U ReturnNum;/返回值 InitTimer();/可选 for(;)./应用程序代码 OSTimeDly(n);/常用的语句 2008年12月15日13南京大学计算机系C/OS-II的代码结构（续）的代码结构（续）lC/OS-II的启动过程lBootloader执行完毕后，调用应用程序主文件（通常是main.c）里的main()函数。main()函数在执行过程中，除硬件初始化函
8、数和用户函数外，按以下次序执行三个主要的C/OS-II函数：操作系统初始化OSInit()；任务创建OSTaskCreate()；任务调度开始OSStart()l一旦OSStart()函数开始执行，就标志着C/OS-II进入了多任务调度的正常运行状态 2008年12月15日14南京大学计算机系C/OS-II的内核的内核lC/OS-II内核只提供任务调度、任务间通信（ITC）与同步、任务管理、时间管理和内存管理等基本功能 l可裁剪编译到8K左右，全部只有100K左右，消耗资源非常小l在小规模的代码内实现了抢占式任务调度、多任务通信功能 2008年12月15日15南京大学计算机系C/OS-II的内
9、核（续的内核（续1）lC/OS-II的临界区lC/OS-II调用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()两个宏来执行关中断和开中断，对于不同的体系结构，这两个宏定义不一样。lOS_CPU.H文件中含有OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()的定义2008年12月15日16南京大学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续2）lC/OS-II的任务状态l最大任务数64个，最高优先级为0，最低优先级取值为实际定义的最大任务数减1.l任务建立之后，拥有优先级，执行函数，自用栈空间和 任务控制块（TCB），在运行时刻能够完全控制C
10、PU的操作以及全部用户可访问寄存器的操作。2008年12月15日17南京大学计算机系C/OS-II的任务状态转换图的任务状态转换图C/OS-II的每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态的某种状态下（任务状态变迁如右图所示）2008年12月15日18南京大学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续3）l休眠态（dormant）l这种状态相当于该任务驻留在内存中，但还没有交给内核管理。把任务交给内核是通过调用任务创建函数实现的lC/OS-II两个任务创建函数OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()2008年12月15日19南京大
11、学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续3）l就绪态（ready）l在这种状态下意味着该任务已经准备好，且可运行，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，所以还暂时不能运行lC/OS-II就绪表为每一个优先级的任务提供了一个位元，登记该任务是否就绪，就绪时取值为1，没有就绪时取值为0 l运行态l得到了CPU的控制权正在运行之中的任务状态 2008年12月15日20南京大学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续4）l挂起态（pending）或者等待态（waiting）l正在运行的任务由于调用延时函数OSTimeDly()，或等待事件信号量而将自身挂起 l被中断态（Interrup
12、ted）l发生中断时CPU提供相应的中断服务，原来正在运行的任务暂时停止运行，进入了被中断状态 2008年12月15日21南京大学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续5）l任务控制块OS_TCBl内核对任务的管理通过任务控制块OS_TCB（Task Control Block）进行。任务控制块是一个数据结构，在任务创建时内核会申请一个空白TCB，而后进行初始化，将创建的任务信息填入该TCB的各个字段。当任务的CPU使用权被剥夺时，C/OS-II用它来保存该任务的状态。当任务重新得到CPU使用权时，任务控制块能确保任务从当时被中断处继续执行。OS_TCB全部驻留在RAM中 2008年12月
13、15日22南京大学计算机系C/OS-II的内核（续的内核（续6）lOS_TCB的字段说明lOS_TCB 数据结构中的OSTCBX，OSTCBY，OSTCBBitX，OSTCBBitY四个变量用于加速任务进入就绪态的过程或进入等待事件发生状态的过程 l是根据任务的优先级OSTCBPrio计算得出，计算公式如下 OSTCBY=OSTCBPrio 3;OSTCBBitY=OSMapTblOSTCBY;OSTCBX=OSTCBPrio&0 x07;OSTCBBitX=OSMapTblOSTCBX;2008年12月15日23南京大学计算机系C/OS-II的任务调度的任务调度lC/OS-II的就绪表lC/
14、OS-II的就绪任务登记在就绪表中。就绪表由两个变量OSRdyGrp和OSRdyTbl构成l OSRdyGrp是一个单字节整数变量 lOSRdyTblOS_LOWEST_PRIO/8+1是单字节整数数组，其元素个数定义为最低优先级除以8加1，最多可有8个元素（字节）2008年12月15日24南京大学计算机系C/OS-II的任务调度（续的任务调度（续1）位图形式的C/OS-II的任务就绪表和就绪实例2008年12月15日25南京大学计算机系C/OS-II的任务调度（续的任务调度（续2）l任务就绪表的操作l登记一个新就绪表操作的典型指令段l删除不再处于就绪态任务的指令段l从就绪表中找到最高优先级的
15、任务2008年12月15日26南京大学计算机系C/OS-II的任务调度（续的任务调度（续3）lC/OS-II的任务调度lC/OS-II总是运行处于就绪态任务中优先级最高的那一个 lOSSched()函数是任务调度的前导函数，判断进行任务调度的三个条件是否满足。这三个条件分别是：l中断嵌套层数共享全程变量OSIntNesting=0 l任务调度加锁层数共享全程变量OSLockNesting=0 l就绪表中查找到的最高优先级任务的优先级比当前任务的优先级高 2008年12月15日27南京大学计算机系C/OS-II的任务切换的任务切换l也叫做上下文切换（Context Switch）l当C/OS-I
16、I内核决定运行另外任务时，它保存正在运行任务的上下文，这些内容保存在任务的自用堆栈之中。上下文入栈工作完成以后，把下一个将要执行的任务的上下文从该任务自用堆栈中装入CPU的寄存器，然后开始该任务的运行2008年12月15日28南京大学计算机系ARM处理器任务栈上下文存储结构图处理器任务栈上下文存储结构图2008年12月15日29南京大学计算机系C/OS-II的中断处理的中断处理lC/OS-II中的中断服务子程序主要用汇编语言编写而成 l中断服务子程序在执行前将被中断任务的执行现场保存在自用堆栈l中断服务子程序执行事件处理有两种方法。一种方法是通过OSMBoxPost()、OSQPost()、O
17、SSemPost()等函数去通知真正做该事件处理的那个任务，让任务完成中断事件的处理。另外一种是由中断服务子程序本身完成事件处理 2008年12月15日30南京大学计算机系C/OS-II的中断处理（续的中断处理（续1）l中断服务子程序的伪码结构如下所示：保存全部CPU寄存器到堆栈；调用OSIntEnter()或者对OSIntNesting变量加1；执行中断服务代码，或者发出IPC消息通知特定任务去执行中断服务；调用OSIntExit()函数；恢复所有CPU寄存器；执行中断返回指令；2008年12月15日31南京大学计算机系C/OS-II的中断处理（续的中断处理（续2）l调用中断退出函数OSIn
18、tExit()标志着中断服务子程序的终结，OSIntExit()将中断嵌套层数计数器减1。当中断嵌套计数器减到零并且调度未被禁止（OSLockNesting=0），C/OS-II要重新开始调度。2008年12月15日32南京大学计算机系C/OS-II的时间管理的时间管理lC/OS-II能够提供周期性的时钟信号，节拍率10100Hz。l用户必须在多任务系统启动以后即在调用OSStart()之后激活时钟节拍信号发生器 l时钟节拍中断服务子程序必须用汇编语言编写l每当硬件定时器发出节拍中断请求，C/OS-II就要响应这个中断 2008年12月15日33南京大学计算机系C/OS-II的时间管理（续）的
19、时间管理（续）lC/OS-II时间管理函数 l节拍延时函数OSTimeDly()该函数常常位于任务函数的结束处,用以退出运行,用户可以借助定义全局常数OS_TICKS_PER_SEC lOSTimeDlyHMSM()该函数可以按小时(H)、分(M)、秒(S)和毫秒(m)来定义时间 lOSTimeDlyResume()根据需要正处于延时期任务可以被用户中止延时 2008年12月15日34南京大学计算机系C/OS-II的任务间通信的任务间通信lC/OS-II中保护任务间共享数据和提供任务间通信的主要三种方式l利用宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()来关闭中
20、断和打开中断 l利用函数OSSchedLock()和OSSchekUnlock()对C/OS-II中的任务调度函数上锁和开锁 l利用信号量、互斥信号量、邮箱和消息队列进行任务间通信，属于事件控制的同步与通信。2008年12月15日35南京大学计算机系C/OS-II的任务间通信（续的任务间通信（续1）l事件控制块ECBl用于实现信号量管理、互斥型信号量管理、消息邮箱以及消息队列管理的ITC功能函数的基本数据结构 lC/OS-II的ECB有4种类型：OSSemCreate()、OSMutexCreate()、OSMboxCreate()、OSQCreate()2008年12月15日36南京大学计算
21、机系C/OS-II的任务间通信（续的任务间通信（续2）l基于ECB的任务间通信l一个任务或者中断服务子程序可以通过事件控制块ECB来向另外的任务发信号 l事件控制块的的作用见下页图示2008年12月15日37南京大学计算机系C/OS-II的任务间通信（续的任务间通信（续3）事件控制块的作用2008年12月15日38南京大学计算机系C/OS-II的任务间通信（续的任务间通信（续4）l上图ITC操作说明l任务或中断服务子程序可以给事件控制块ECB发信号。l只有任务可以等待另一个任务或中断服务子程序通过事件控制块ECB给它发送信号，而中断服务子程序是不能等待事件控制块ECB给它发送信号的。l处于等待
22、状态的任务可以指定一个最长等待时间l多个任务可以同时等待同一事件的发生。l当事件控制块ECB是一个信号量时，任务可以等待它，也可以给它发送消息 2008年12月15日39南京大学计算机系C/OS-II的任务间通信（续的任务间通信（续5）l信号量控制下的任务间通信l在C/OS-II下，用信号量进行任务间通信时，先用信号量创建函数OSSemCreate创建一个信号量，且对该信号量赋初始计数值。l如果信号量是用来表示一个或者多个事件的发生，那么该信号量的初始值应设为0l如果信号量是用于对共享资源的访问，那么该信号量的初始值应设为1l如果该信号量是用来表示允许任务访问n个相同的资源，那么该初始值显然应
23、该是n，并把该信号量作为一个可计数的信号量使用。2008年12月15日40南京大学计算机系C/OS-II的内存管理的内存管理l嵌入式内存管理l含虚拟存储器：硬件提供MMU，软件提供虚拟存储器管理模块l不含虚拟存储器：段式管理l段式管理下存储器分配l固定分区法固定分区法指内存中分区的个数固定不变，根据分区大小的不同，还可以分为等分方式和分区差分方式 l动态分区法各个分区的大小是在相应的进程需要内存时根据需要建立的 2008年12月15日41南京大学计算机系C/OS-II的内存管理（续的内存管理（续1）lC/OS-II的内存管理l改进型固定分区法，由操作系统把连续的大块内存按分区进行管理l每个分区
24、包含整数个大小相同的内存块：两级固定分区lC/OS-II对malloc()和free()进行了改进lC/OS-II中使用内存控制块的数据结构跟踪每一个内存分区，系统中的每个内存分区都有它自己的内存控制块2008年12月15日42南京大学计算机系C/OS-II的内存管理（续的内存管理（续2）lC/OS-II对内存的管理通过以下四个函数完成l创建一个内存分区：OSMemCreate()l分配一个内存块：OSMemGet()l释放一个内存块：OSMemPut()l查询一个内存分区的状态：OSMemQuery()2008年12月15日43南京大学计算机系C/OS-II的移植的移植l移植C/OS-II必
25、须满足以下要求l处理器的C编译器能产生可重入代码l用C语言可以打开和关闭中断l处理器支持中断，并且能产生定时中断l处理器支持能够容纳一定量数据的硬件栈区l处理器有将栈区指针和其他CPU寄存器读出和存储到栈区或内存中的指令2008年12月15日44南京大学计算机系C/OS-II的移植（续的移植（续1）l基本的配置和定义l基本配置和定义全部集中在OS_CPU.H中l定义和编译器相关的数据结构l定义关中断和开中断宏l定义栈指针的增长方向2008年12月15日45南京大学计算机系C/OS-II的移植（续的移植（续2）l与移植有关的四个汇编语言程序lOSStartHighRdy()：运行优先级最高的任务
26、lOSCtxSw()：任务级任务切换函数lOSintCtxSw()：中断级任务切换函数lOSTickISR()：时钟节拍中断服务子程序2008年12月15日46南京大学计算机系需要移植的汇编子程序（函数）需要移植的汇编子程序（函数）OSTickISRlOSTickISR()时钟节拍中断服务子程序l时钟节拍来源于硬件电路，它是嵌入式操作系统的基本定时单位 lOSTickISR()首先在被中断任务栈区中保存CPU寄存器的值，调用OSIntEnter()，该函数将中断嵌套记录值OSIntNesting加1 lOSTickISR()然后调用OSTimeTick()lOSTickISR()最后调用OSI
27、ntExit()2008年12月15日47南京大学计算机系C/OS-II的移植（续的移植（续3）l与移植有关的主要C函数l需要在OS_CPU_C.C文件中改写10个简单的C函数，其中必须修改的函数是OSTaskStkInit()，其余9个都是用户接口函数 l用户接口函数的调用位置都是在任务状态发生显著变动的地方 lOSTaskStkInit()函数用于初始化任务的自用栈区，它在任务创建时被调用，负责在内存开辟该任务的栈工作区，然后返回该栈的栈顶指针stk。2008年12月15日48南京大学计算机系有关有关C/OS-II源代码的通读源代码的通读l通读C/OS-II源代码是掌握嵌入式操作系统的好方
28、法，建议有条件的情况下由教师带领同学通读。l通读C/OS-II源代码的注意事项l硬件平台不同的C/OS-II源代码是不同的l建议先阅读x86平台的C/OS-II全套源代码，再阅读ARM平台的C/OS-II源代码。有可能的情况下，阅读MIPS平台和PowerPC平台的C/OS-II源代码l阅读C/OS-II的源代码主要目的是全面了解嵌入式操作系统的总体结构。2008年12月15日49南京大学计算机系有关有关C/OS-II的实验的实验l通过C/OS-II实验项目初学者可以深切地体会嵌入式项目或者嵌入式产品的开发，从而获得第一手嵌入式软件开发经验。l以下是可供教师和学生选择的实验项目。lC/OS-I
29、I在不同ARM开发板上的移植l将C/OS-II移植到MIPS和PowerPC开发板上l基于C/OS-II的设备驱动开发lC/OS-II的工作参数配置实验lC/OS-II的应用程序编程2008年12月15日50南京大学计算机系第第19讲重点讲重点lC/OS-II的特点、软件层次和代码结构lC/OS-II启动和初始化lC/OS-II的内核lC/OS-II的任务调度lC/OS-II的任务切换lC/OS-II的中断处理lC/OS-II的时间管理lC/OS-II的任务间通信lC/OS-II的存储管理lC/OS-II的移植2008年12月15日51南京大学计算机系第第19讲复习题思考题讲复习题思考题l两名
30、工程师就C/OS-II任务就绪表占用内存空间问题各自发表了观点，A工程师 认为占8个字节，B工程师认为占9个字节，你认为哪个工程师的观点正确？l如果需要对C/OS-II的任务管理数进行扩充，你认为应当如何进行。l请说明C/OS-II的任务就绪表和事件控制表的异同。l在C/OS-II环境，当用户建立一个新任务时，至少要向任务建立函数OSTaskCreate()函数传递哪几个参数？l创建一个C/OS-II用户新任务时，先创建该任务的私有堆栈，还是先创建该任务的TCB？l如果解决C/OS-II的优先级反转问题，请你给出一个解决方案。2008年12月15日52南京大学计算机系第第19讲结束讲结束l谢谢大家!l欢迎各位读者提出宝贵的意见和建议！2008年12月15日53南京大学计算机系