單片機嵌入操作系統(tǒng)μC/OS-II的利弊分析

近年來，在單片機系統(tǒng)中嵌入操作系統(tǒng)已經(jīng)成為人們越來越關心的一個話題。本文通過對一種源碼公開的單片機嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II為例，闡述了在單片機中使用該嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點，以及在應用中應當注意的一些問題。

早在20世紀60年代，就已經(jīng)有人開始研究和開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。但直到最近，它才在國內(nèi)被越來越多的提及，在通信、電子、自動化等需要實時處理的領域所日益顯現(xiàn)的重要性吸引了人們越來越多的注意力。但是，人們所談論的往往是一些著名的商業(yè)內(nèi)核，諸如VxWorks、PSOS等。這些商業(yè)內(nèi)核性能優(yōu)越，但價格昂貴，主要用于16位和32位處理器中，針對國內(nèi)大部分用戶使用的51系列8位單片機，可以選擇免費的μC/OS-II。

μC/OS-II的特點

1、μC/OS-II是由Labrosse先生編寫的一個開放式內(nèi)核，最主要的特點就是源碼公開。這一點對于用戶來說可謂利弊各半，好處在于，一方面它是免費的，另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對它進行修改。缺點在于它缺乏必要的支持，沒有功能強大的軟件包，用戶通常需要自己編寫驅(qū)動程序，特別是如果用戶使用的是不太常用的單片機，還必須自己編寫移植程序。

2、μC/OS-II是一個占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務的CPU使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內(nèi)核要好。通常我們都是在中斷服務程序中使高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)（例如發(fā)信號），這樣退出中斷服務程序后，將進行任務切換，高優(yōu)先級任務將被執(zhí)行。拿51單片機為例，比較一下就可以發(fā)現(xiàn)這樣做的好處。假如需要用中斷方式采集一批數(shù)據(jù)并進行處理，在傳統(tǒng)的編程方法中不能在中斷服務程序中進行復雜的數(shù)據(jù)處理，因為這會使得關中斷時間過長。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(zhí)行的，所以它總有機會檢測到這一標志并轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)處理程序中去。但是因為無法確定發(fā)生中斷時程序到底執(zhí)行到了什么地方，也就無法判斷要經(jīng)過多長時間數(shù)據(jù)處理程序才會執(zhí)行，中斷響應時間無法確定，系統(tǒng)的實時性不強。如果使用μC/OS-II的話，只要把數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級設定得高一些，并在中斷服務程序中使它進入就緒態(tài)，中斷結(jié)束后數(shù)據(jù)處理程序就會被立即執(zhí)行。這樣可以把中斷響應時間限制在一定的范圍內(nèi)。對于一些對中斷響應時間有嚴格要求的系統(tǒng)，這是必不可少的。但應該指出的是如果數(shù)據(jù)處理程序簡單，這樣做就未必合適。因為μC/OS-II要求在中斷服務程序末尾使用OSINTEXIT函數(shù)以判斷是否進行任務切換，這需要花費一定的時間。

3、μC/OS-II和大家所熟知的Linux等分時操作系統(tǒng)不同，它不支持時間片輪轉(zhuǎn)法。μC/OS-II是一個基于優(yōu)先級的實時操作系統(tǒng)，每個任務的優(yōu)先級必須不同，分析它的源碼會發(fā)現(xiàn)，μC/OS-II把任務的優(yōu)先級當做任務的標識來使用，如果優(yōu)先級相同，任務將無法區(qū)分。進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務首先得到CPU的使用權，只有等它交出CPU的使用權后，其他任務才可以被執(zhí)行。所以它只能說是多任務，不能說是多進程，至少不是我們所熟悉的那種多進程。顯而易見，如果只考慮實時性，它當然比分時系統(tǒng)好，它可以保證重要任務總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統(tǒng)中，重要任務畢竟是有限的，這就使得劃分其他任務的優(yōu)先權變成了一個讓人費神的問題。另外，有些任務交替執(zhí)行反而對用戶更有利。例如，用單片機控制兩小塊顯示屏時，無論是編程者還是使用者肯定希望它們同時工作，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。這時候，要是μC/OS-II即支持優(yōu)先級法又支持時間片輪轉(zhuǎn)法就更合適了。

4、μC/OS-II對共享資源提供了保護機制。正如上文所提到的，μC/OS-II是一個支持多任務的操作系統(tǒng)。一個完整的程序可以劃分成幾個任務，不同的任務執(zhí)行不同的功能。這樣，一個任務就相當于模塊化設計中的一個子模塊。在任務中添加代碼時，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），μC/OS-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。簡單地說，先創(chuàng)建一個信號量并對它進行初始化。當一個任務需要使用一個共享資源時，它必須先申請得到這個信號量，而一旦得到了此信號量，那就只有等使用完了該資源，信號量才會被釋放。在這個過程中即使有優(yōu)先權更高的任務進入了就緒態(tài)，因為無法得到此信號量，也不能使用該資源。這個特點的好處顯而易見，例如當顯示屏正在顯示信息的時候，外部產(chǎn)生了一個中斷，而在中斷服務程序中需要顯示屏顯示其他信息。這樣，退出中斷服務程序后，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，只有顯示屏把原有信息顯示完畢后才可以顯示新信息，從而可以避免這個現(xiàn)象。不過，采用這種方法是以犧牲系統(tǒng)的實時性為代價的。如果顯示原有信息需要耗費大量時間，系統(tǒng)只好等待。從結(jié)果上看，等于延長了中斷響應時間，這對于未顯示信息是報警信息的情況，無疑是致命的。發(fā)生這種情況，在μC/OS-II中稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，就是高優(yōu)先級任務必須等待低優(yōu)先級任務的完成。在上述情況下，在兩個任務之間發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是無法避免的。所以在使用μC/OS-II時，必須對所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚，才能決定對于某種共享資源是否使用信號量。

μC/OS-II在單片機使用中的一些特點：

（1）在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增強系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡單。以往傳統(tǒng)的單片機開發(fā)工作中經(jīng)常遇到程序跑飛或是陷入死循環(huán)?？梢杂?a href="http://ttokpm.com/tags/看門狗/" target="_blank">看門狗解決程序跑飛問題，而對于后一種情況，尤其是其中牽扯到復雜數(shù)學計算的話，只有設置斷點，耗費大量時間來慢慢分析。如果在系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II的話，事情就簡單多了?？梢园颜麄€程序分成許多任務，每個任務相對獨立，然后在每個任務中設置超時函數(shù)，時間用完以后，任務必須交出CPU的使用權。即使一個任務發(fā)生問題，也不會影響其他任務的運行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也使得調(diào)試程序變得容易。

（2）在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增加系統(tǒng)的開銷?，F(xiàn)在所使用的51單片機，一般是指87C51或者89C51，其片內(nèi)都帶有一定的RAM和ROM。對于一些簡單的程序，如果采用傳統(tǒng)的編程方法，已經(jīng)不需要外擴存儲器了。如果在其中嵌入μC/OS-II的話，在只需要使用任務調(diào)度、任務切換、信號量處理、延時或超時服務的情況下，也不需要外擴ROM了，但是外擴RAM是必須的。由于μC/OS-II是可裁減的操作系統(tǒng)，其所需要的RAM大小就取決于操作系統(tǒng)功能的多少。舉例來說，μC/OS-II允許用戶定義最大任務數(shù)。由于每建立一個任務，都要產(chǎn)生一個與之相對應的數(shù)據(jù)結(jié)構TCB，該數(shù)據(jù)結(jié)構要占用很大一部分內(nèi)存空間。所以在定義最大任務數(shù)時，一定要考慮實際情況的需要。如果定得過大，勢必會造成不必要的浪費。嵌入μC/OS-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(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+（任務棧需求+最大中斷嵌套棧需求）·任務數(shù)

所幸的是，μC/OS-II可以對每個任務分別定義堆?？臻g的大小，開發(fā)人員可根據(jù)任務的實際需求來進行?？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(shù)組、數(shù)據(jù)結(jié)構和函數(shù)的使用，別忘了，函數(shù)的形參也是要推入堆棧的。

（3）μC/OS-II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果沒有現(xiàn)成的移植實例的話，就必須自己來編寫移植代碼。雖然只需要改動兩個文件，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例。另外，即使有移植實例，在編程前最好也要閱讀一下，因為里面牽扯到堆棧操作。在編寫中斷服務程序時，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）和其他一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)不同，μC/OS-II在單片機系統(tǒng)中的啟動過程比較簡單，不像有些操作系統(tǒng)那樣，需要把內(nèi)核編譯成一個映像文件寫入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。μC/OS-II的內(nèi)核是和應用程序放在一起編譯成一個文件的，使用者只需要把這個文件轉(zhuǎn)換成HEX格式，寫入ROM中就可以了，上電后，會像普通的單片機程序一樣運行。

結(jié)語

由以上介紹可以看出，μC/OS-II具有免費、使用簡單、可靠性高、實時性好等優(yōu)點，但也有移植困難、缺乏必要的技術支持等缺點，尤其不像商用嵌入式系統(tǒng)那樣得到廣泛使用和持續(xù)的研究更新。但開放性又使得開發(fā)人員可以自行裁減和添加所需的功能，在許多應用領域發(fā)揮著獨特的作用。當然，是否在單片機系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II應視所開發(fā)的項目而定，對于一些簡單的、低成本的項目來說，就沒必要使用嵌入式操作系統(tǒng)了。