實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UCOS-II,學(xué)會(huì)RTOS給你的身價(jià)增值

如果，你最近關(guān)注一些嵌入式招聘職位描述，你可能會(huì)經(jīng)常看到看到使用過uCOS、Vxworks、QNX等RTOS者優(yōu)先。

隨便打開一個(gè)20K的嵌入式開發(fā)工作職責(zé)：

你會(huì)發(fā)現(xiàn)熟悉RTOS的開發(fā)、移植、剪裁真的很吃香！

今天，我們就來介紹一下實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UCOS-II。

一、嵌入式操作系統(tǒng)概覽

嵌入式操作系統(tǒng)的主要好處就是屏蔽了底層硬件的差別，給上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口，并管理進(jìn)程調(diào)度和資源（如CPU時(shí)間、內(nèi)存）分配等。并且可以充分利用硬件資源，如在單任務(wù)時(shí)（大循環(huán)結(jié)構(gòu)，如大部分51程序）遇到delay函數(shù)時(shí)，CPU在空轉(zhuǎn)。而在多任務(wù)系統(tǒng)，遇到delay或需等待資源時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行下一個(gè)任務(wù)，等條件滿足再回來運(yùn)行先前的任務(wù)，這樣就充分利用了CPU，提高了效率。

uC/OS操作系統(tǒng)與裸機(jī)程序的最大不同點(diǎn)就在于uC/OS有任務(wù)調(diào)度，可以根據(jù)任務(wù)的重要程度（優(yōu)先級(jí)）優(yōu)先執(zhí)行重要的任務(wù)，從而確保能及時(shí)處理最重要的數(shù)據(jù)。（所以對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)有必要使用OS的判斷是能否劃分一個(gè)個(gè)的任務(wù)，并且各任務(wù)間的耦合很小）可以思考下裸機(jī)程序中斷的時(shí)候發(fā)生的過程。利用堆?？梢院茏杂傻脑贏、B中切換，如果切換足夠快，A、B看以來好像同時(shí)在執(zhí)行，這就是并行，A、B就是任務(wù)。如果這個(gè)切換操作放到定時(shí)器函數(shù)中來做，就可以嚴(yán)格按照時(shí)間來切換。另外，各個(gè)任務(wù)之間有存在一定的關(guān)系，有邏輯上的先后等，必須引進(jìn)全局的結(jié)構(gòu)體、變量來標(biāo)記一些信息，全局的這些數(shù)據(jù)是不會(huì)被釋放的，所以所有的任務(wù)可以去通過讀、寫這些數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)程序塊交流信息，實(shí)現(xiàn)所謂的同步、互斥。這就是操作系統(tǒng)的原理，而這些不同的通信方式按功能細(xì)分就成事件管理、內(nèi)存管理等。

二、ucos的運(yùn)行概覽

首先是主函數(shù)，然后是OSInit(),這個(gè)函數(shù)就是對(duì)那些全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化，建立希望的鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為后面全局變量通信做好準(zhǔn)備，并且創(chuàng)建了1-2個(gè)系統(tǒng)任務(wù)（空閑任務(wù)必須，為了不讓操作系統(tǒng)返回。統(tǒng)計(jì)任務(wù)可選），而所謂的創(chuàng)建任務(wù)OSTaskCreate就是把一個(gè)函數(shù)的函數(shù)地址、自己的棧建立聯(lián)系、優(yōu)先級(jí)、任務(wù)控制塊等弄好，為任務(wù)切換做好準(zhǔn)備。設(shè)置好定時(shí)切換的相關(guān)信息類似定時(shí)器，按照節(jié)拍在中斷中進(jìn)行任務(wù)切換判斷（這個(gè)節(jié)拍是給延時(shí)函數(shù)提供計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，一個(gè)任務(wù)的延時(shí)時(shí)間到或等待的資源滿足而進(jìn)入就緒表就會(huì)檢查優(yōu)先級(jí)看是否可以執(zhí)行），可以的話就發(fā)生切換，這個(gè)時(shí)候還沒有開啟開關(guān)，所以等任務(wù)創(chuàng)建完成后，啟動(dòng)多任務(wù)函數(shù)OSStart(),這個(gè)函數(shù)是讓SP指到其中的一個(gè)棧，然后出棧就跳到一個(gè)任務(wù)函數(shù)里去了，接下來就是正常的任務(wù)運(yùn)行了。

對(duì)于操作系統(tǒng)，主要是任務(wù)怎么釋放CPU（延時(shí)、中斷、等待資源），其他的任務(wù)怎么獲得CPU（進(jìn)入就緒表），如何找到某個(gè)任務(wù)（優(yōu)先級(jí)及任務(wù)控制列表）。

三、ucos各部分介紹

μC/OS-II的各種服務(wù)都以任務(wù)的形式來出現(xiàn)的。在μC/OS-II中，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)。它是基于優(yōu)先級(jí)可剝奪型內(nèi)核，適合應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的地方。

3.1 μC/OS-II的任務(wù)

μC/OS-II的核心部分就是它的任務(wù)，它也是通過任務(wù)來對(duì)不同事件進(jìn)行響應(yīng)和處理的。從代碼上來看，μC/OS-II的任務(wù)一般為如下形式(C語言描述，后同)：

void uCOSTask(void *p)

{

while(1)

{

任務(wù)具體的功能;

}

}

創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)有個(gè)是OSTaskCreate (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT8U prio)，OSTaskCreate()需要四個(gè)參數(shù)：task是任務(wù)代碼的指針，pdata是當(dāng)任務(wù)開始執(zhí)行時(shí)傳遞給任務(wù)的參數(shù)的指針，ptos是分配給任務(wù)的堆棧的棧頂指針，prio是分配給任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

μC/OS-II的任務(wù)是在內(nèi)存中來看，任務(wù)由三個(gè)部分構(gòu)成：任務(wù)的代碼部分、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊。其中任務(wù)控制塊保存任務(wù)的屬性；任務(wù)堆棧在任務(wù)進(jìn)行切換時(shí)保存任務(wù)運(yùn)行的環(huán)境；任務(wù)代碼部分就是宏觀上看到的C語言代碼。

嵌入式設(shè)備中一般只有一個(gè)處理器，所以在某一具體的時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)占用處理器。μC/OS-II的任務(wù)一共有5種狀態(tài)：睡眠、就緒、運(yùn)行、等待和中斷服務(wù)。

3.2 任務(wù)控制塊

μC/OS-II中參與調(diào)度和管理的最小單位是任務(wù)。而任務(wù)是通過任務(wù)控制塊的形式管理的。任務(wù)控制塊是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,它包含了任務(wù)的堆棧信息，任務(wù)控制塊的指針，前一個(gè)任務(wù)控制塊和后一個(gè)任務(wù)控制塊的指針（利用優(yōu)先級(jí)一個(gè)個(gè)查找是否是要找的任務(wù)，所以優(yōu)先級(jí)是唯一的），任務(wù)的優(yōu)先級(jí)（根據(jù)優(yōu)先級(jí)查找到任務(wù)控制塊，從而就找到該任務(wù)），任務(wù)需要等待的時(shí)間（任務(wù)延時(shí)的時(shí)候時(shí)鐘節(jié)拍中斷來的時(shí)候會(huì)對(duì)等待時(shí)間做減，為零的時(shí)候就放入就緒表，查看一下是否需要切換）等信息。

任務(wù)控制塊包含了除了指向任務(wù)代碼的所有信息。而任務(wù)的代碼地址在任務(wù)運(yùn)行時(shí)是怎么獲得的呢？其實(shí)，任務(wù)代碼的地址是通過任務(wù)的堆棧儲(chǔ)存的。

3.3 任務(wù)堆棧

任務(wù)在創(chuàng)建時(shí)候，必須指明該任務(wù)的堆棧。任務(wù)的堆棧大小由用戶根據(jù)實(shí)際情況自行定義。μC/OS-II的堆棧實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊，任務(wù)在創(chuàng)建的時(shí)候，由函數(shù)OSTaskCreate()將任務(wù)的代碼和用戶為任務(wù)定義的堆棧聯(lián)系起來。由于堆棧按照增長(zhǎng)方向可以分為兩種類型，故在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候調(diào)用的堆棧初始化函數(shù)實(shí)際上也跟微處理器類型有關(guān)的。故這些代碼也是移植時(shí)需要修改的。

3.4系統(tǒng)任務(wù)

μC/OS-II提供了兩個(gè)系統(tǒng)任務(wù)：空閑任務(wù)和統(tǒng)計(jì)任務(wù)。其中空閑任務(wù)是必要的。因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻可能所有的用戶任務(wù)都不處于就緒狀態(tài)，這樣微處理器會(huì)因?yàn)闆]有任何任務(wù)運(yùn)行造成系統(tǒng)崩潰。

3.5 臨界區(qū)

μC/OS-II還有一個(gè)臨界的概念，所謂臨界區(qū)，就是一段特殊的代碼。在這段代碼內(nèi)不允許中斷的響應(yīng)，以此來保證這段代碼的原子性。臨界代碼段通過調(diào)用開關(guān)中斷兩個(gè)宏來實(shí)現(xiàn)的。

3.6 μC/OS-II任務(wù)的管理

3.6.1 對(duì)就緒任務(wù)的管理

μC/OS-II定義了一個(gè)就緒表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，跟普通的數(shù)組非常像（也就是一維數(shù)組），但是被賦予了特殊的意義。就緒表中每一位表示一個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)是否處于就緒狀態(tài)。而每一位的下標(biāo)則表示任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。通過特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和意義，就緒任務(wù)的管理效率很高。

任務(wù)就緒表是由一個(gè)OSRdyTbl數(shù)組表示，數(shù)組大小（OS_RDY_TBL_SIZE）由最低優(yōu)先級(jí)(OS_LOWEST_PRIO)確定, 這樣可以減少不必要的空間浪費(fèi)，節(jié)約RAM資源。OSRdyTbl[]是INT8U 類型數(shù)組，每一個(gè)元素占8位。每一位表示一個(gè)優(yōu)先級(jí)狀態(tài)（1為就緒，0則未就緒）。8個(gè)元素則可以表示64個(gè)優(yōu)先級(jí)(8*8=64)。為加速就續(xù)表的查找，Labrosse把每個(gè)OSRdyTbl元素劃為每一優(yōu)先級(jí)組，8個(gè)元素則有8個(gè)優(yōu)先級(jí)組，它定義了一個(gè)INT8U類型的8位變量OSRdyGrp ，OSRdyGrp的每一位對(duì)應(yīng)每個(gè)優(yōu)先級(jí)組。如下圖：

任務(wù)優(yōu)先級(jí)的第三位用于確定任務(wù)在osRdyTb1中在元素的第幾位，接著的三位用于指定是第幾個(gè)元素。

假設(shè)優(yōu)先級(jí)31的任務(wù)第一個(gè)加入了就緒任務(wù)表，此時(shí)OSRdyGrp和OSRdyTbl的情況：

OSRdyGrp的第3位為1，表示第3優(yōu)先級(jí)組有就緒任務(wù)。OSRdyTbl的第7位為1，表示第31優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被就緒。

用此可以使任務(wù)加入或脫離就緒表。調(diào)度的時(shí)候即是查找此表，找出最高的優(yōu)先級(jí)，從而找到任務(wù)控制塊，執(zhí)行該任務(wù)。

3.6.2 任務(wù)的創(chuàng)建、掛起和其他操作

μC/OS-II提供了兩個(gè)函數(shù)可以創(chuàng)建任務(wù)，它們是OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()，任務(wù)在創(chuàng)建之后也可以掛起或者恢復(fù)，這同樣要使用μC/OS-II提供的系統(tǒng)函數(shù)。掛起任務(wù)使用函數(shù)OSTsakSuspend()，恢復(fù)被掛起的任務(wù)使用函數(shù)OSTaskResume()。μC/OS-II還提供了任務(wù)的刪除，優(yōu)先級(jí)的修改，查詢?nèi)蝿?wù)信息等其他功能的函數(shù)。

3.6.3 任務(wù)的調(diào)度

μC/OS-II任務(wù)的調(diào)度是由調(diào)度器完成的。所謂調(diào)度器實(shí)際上是一個(gè)函數(shù)OSShed()；此函數(shù)通過搜索任務(wù)就緒表來獲得最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，在由該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來獲得任務(wù)的控制塊再來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。

任務(wù)的調(diào)度不是任何時(shí)刻都進(jìn)行的，而是有時(shí)機(jī)的。μC/OS-II任務(wù)當(dāng)有以下情況發(fā)生時(shí)將產(chǎn)生一次任務(wù)調(diào)度：

● 創(chuàng)建了新任務(wù)，并在就緒表中進(jìn)行了登記

● 有任務(wù)被刪除

● 有處于等待的任務(wù)被喚醒

● 中斷退出的時(shí)候

● 正在運(yùn)行的任務(wù)等待某事件而進(jìn)入等待狀態(tài)

● 正在運(yùn)行的任務(wù)自愿放棄微處理器占有權(quán)而等待一段時(shí)間

3.6.4任務(wù)的初始化和啟動(dòng)

μC/OS-II中定義了大量的全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在μC/OS-II運(yùn)行以前需要對(duì)這些全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。為了完成μC/OS-II的初始化，系統(tǒng)提供了初始化函數(shù)OSInit()。μC/OS-II的啟動(dòng)也是通過系統(tǒng)提供的函數(shù)OSStart()來實(shí)現(xiàn)的。OSStart()在判斷系統(tǒng)沒有在運(yùn)行后來獲得就緒表中最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，并調(diào)用函數(shù)OSStartHighRdy()來啟動(dòng)系統(tǒng)。

3.6.5 中斷和時(shí)鐘

實(shí)時(shí)系統(tǒng)為了能夠響應(yīng)異步事件，通常會(huì)采用中斷。μC/OS-II也采用了中斷來響應(yīng)外部事件。μC/OS-II處理中斷過程大致如下：當(dāng)系統(tǒng)開中斷時(shí)，系統(tǒng)接收到中斷然后找到中斷服務(wù)程序的入口地址執(zhí)行中斷，執(zhí)行完成后退出中斷。這里要提到的一點(diǎn)是，當(dāng)要退出中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)查找就緒表是否有比處于中斷服務(wù)狀態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。如果有將會(huì)一發(fā)一次調(diào)度，否則返回被中斷的任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。關(guān)于中斷的一些細(xì)節(jié)在后面的移植的部分還會(huì)討論。

在所有的中斷源中最重要的一個(gè)就是時(shí)鐘中斷，它為系統(tǒng)提供時(shí)間服務(wù)以此來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的延時(shí)。

3.6.6 任務(wù)間的通信

對(duì)于一個(gè)完整的嵌入式操作系統(tǒng)來說，任務(wù)間的通信機(jī)制必不可少。μC/OS-II提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和機(jī)制來實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的同步和通信。

在ucos II 里任務(wù)間通信可以采用以下幾種方式：

1. 共享全局變量，這是最快捷有效的方式，實(shí)現(xiàn)這種通信可以采用以下兩種方式：一是利用宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來關(guān)閉中斷和打開中斷，二是利用函數(shù)OSSchedLock()和OSSchedUnlock()對(duì)μC/OS-II中的任務(wù)調(diào)度函數(shù)上鎖和開鎖.

2. 使用信號(hào)量

3. 使用郵箱

4. 使用消息隊(duì)列

創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)需要給這個(gè)任務(wù)分配一個(gè)任務(wù)控制塊，這個(gè)任務(wù)控制塊存儲(chǔ)著關(guān)于這個(gè)任務(wù)的重要信息。那么，事件控制塊就好比任務(wù)里的任務(wù)控制塊。它存儲(chǔ)著這個(gè)事件的重要信息，我們說創(chuàng)建一個(gè)事件（信號(hào)，郵箱，消息隊(duì)列），其本質(zhì)的過程就是初始化這個(gè)事件控制塊。多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)等待同一個(gè)事件的發(fā)生。在這種情況下，當(dāng)該事件發(fā)生后，所有等待該事件的任務(wù)中，優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)得到了該事件并進(jìn)入就緒狀態(tài)，準(zhǔn)備執(zhí)行。

事件控制塊是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其定義如下：

typedef struct {

void *OSEventPtr; /* 指向消息或者消息隊(duì)列的指針 */

INT8U OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE]; /* 等待任務(wù)列表 */

INT16U OSEventCnt; /* 計(jì)數(shù)器(當(dāng)事件是信號(hào)量時(shí)) */

INT8U OSEventType; /* 時(shí)間類型 */

INT8U OSEventGrp; /* 等待任務(wù)所在的組 */

} OS_EVENT;

.OSEventPtr指針,只有在所定義的事件是郵箱或者消息隊(duì)列時(shí)才使用。當(dāng)所定義的事件是郵箱時(shí)，它指向一個(gè)消息，而當(dāng)所定義的事件是消息隊(duì)列時(shí)，它指向一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（因?yàn)殛?duì)列要傳遞多個(gè)消息）。

.OSEventTbl[]和.OSEventGrp很像前面講到的OSRdyTbl[]和OSRdyGrp，只不過前兩者包含的是等待某事件的任務(wù)，而后兩者包含的是系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的任務(wù)。

.OSEventCnt當(dāng)事件是一個(gè)信號(hào)量時(shí)，.OSEventCnt是用于信號(hào)量的計(jì)數(shù)器。

（初始化時(shí)，如果信號(hào)量是用來表示一個(gè)或者多個(gè)事件的發(fā)生，那么該信號(hào)量的初始值應(yīng)設(shè)為0, 如果信號(hào)量是用于對(duì)共享資源的訪問，那么該信號(hào)量的初始值應(yīng)設(shè)為1）

.OSEventType定義了事件的具體類型。它可以是信號(hào)量（OS_EVENT_SEM）、郵箱（OS_EVENT_TYPE_MBOX）或消息隊(duì)列（OS_EVENT_TYPE_Q）中的一種。用戶要根據(jù)該域的具體值來調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，以保證對(duì)其進(jìn)行的操作的正確性。

信號(hào)量是什么？信號(hào)量有什么用？

信號(hào)量一是可以用來表示一個(gè)或多個(gè)事件的發(fā)生，二是用來對(duì)共享資源的訪問。

有時(shí)候郵箱可以當(dāng)做信號(hào)量來使用，郵箱相對(duì)信號(hào)量而言，只是多傳遞了一個(gè)指針變量。其實(shí)和創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量的過程幾乎是一樣的，先申請(qǐng)一個(gè)空事件控制塊，接著初始化這個(gè)事件控制塊。最后返回一個(gè)指向這個(gè)事件控制塊的指針。不同之處在于事件控制塊的類型被設(shè)置成OS_EVENT_TYPE_MBOX，以及使用.OSEventPtr域來容納消息指針。

如果把郵箱比作是信號(hào)量的升級(jí)版，那消息隊(duì)列就是郵箱的升級(jí)版。郵箱可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)任務(wù)向另外一個(gè)任務(wù)發(fā)送一個(gè)指針變量，消息隊(duì)列則可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)任務(wù)向另外一個(gè)任務(wù)發(fā)送很多個(gè)指針變量。而且每個(gè)指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量也可以有所不同。（消息隊(duì)列最根本的部分是一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，其中的每個(gè)單元包含一個(gè)指針。）和創(chuàng)建郵箱，創(chuàng)建信號(hào)量過程是很相似的，首先申請(qǐng)控制塊，接著初始化這個(gè)控制塊，和創(chuàng)建郵箱，信號(hào)量不同的，創(chuàng)建消息隊(duì)列過程是多申請(qǐng)了一個(gè)隊(duì)列控制塊。

最后，簡(jiǎn)單總結(jié)一下搞懂RTOS的知識(shí)儲(chǔ)備：

1. 找一塊別人已經(jīng)移植好代碼的MCU，把uCOS跑起來。然后去看別人的示例代碼，先搞懂怎么使用uC/OS。

嘗試著寫一個(gè)控制三個(gè)不同的led燈，它們以不同頻率閃爍。

2.等到uCOS給你提供的API用熟了， 去讀關(guān)于操作系統(tǒng)的書。 然后再去把堆棧、上下文、調(diào)度器、鎖、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、中斷、線程、郵箱（消息隊(duì)列）等等這些概念對(duì)應(yīng)到實(shí)踐中去。

試著寫一個(gè)多任務(wù)的HTTP服務(wù)器。 試著利用uCOS重構(gòu)現(xiàn)有的代碼。

3. 去讀一個(gè)早期一點(diǎn)的版本uCOS的代碼， 看看uCOS是怎么實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的。

這個(gè)時(shí)候再去看操作系統(tǒng)原理的書。

4. 嘗試著移植uCOS到一塊新的芯片上去。 不到萬不得已不要去google。 試著獨(dú)立解決遇到的問題。

5. 改一改原始版本的uCOS代碼，看看修改了之后，操作系統(tǒng)的行為會(huì)如何變化。

6. 去查uCOS版本進(jìn)化的歷史，看看為什么大家會(huì)如此修改這個(gè)代碼？ 為什么這么設(shè)計(jì) ?