操作系统UCOS-II简介

u C / O S 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。
　　μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系统编程》杂志的5 月和6 月刊上刊登的文章连载，并把μC/OS 的源码发布在该杂志的B B S 上。
　　μC/OS 和μC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的， 绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。用户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点， 最小内核可编译至 2KB 。μC/OS-II 已经移植到了几乎所有知名的CPU 上。
　　严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理，文件系统，网络等额外的服务。但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。
　　uC/OS-II目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务，如信号量，邮箱，消息队列，内存管理，中断管理等。
　　任务管理
　　uC/OS-II 中最多可以支持64 个任务，分别对应优先级0～63，其中0 为最高优先级。63为最低级，系统保留了4个最高优先级的任务和4个最低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数有56个。
　　uC/OS-II提供了任务管理的各种函数调用，包括创建任务，删除任务，改变任务的优先级，任务挂起和恢复等。
　　系统初始化时会自动产生两个任务：一个是空闲任务，它的优先级最低，改任务仅给一个整形变量做累加运算；另一个是系统任务，它的优先级为次低，改任务负责统计当前cpu的利用率。
　　时间管理
　　uC/OS-II的时间管理是通过定时中断来实现的，该定时中断一般为10毫秒或100毫秒发生一次，时间频率取决于用户对硬件系统的定时器编程来实现。中断发生的时间间隔是固定不变的，该中断也成为一个时钟节拍。
　　uC/OS-II要求用户在定时中断的服务程序中，调用系统提供的与时钟节拍相关的系统函数，例如中断级的任务切换函数，系统时间函数。
　　内存管理
　　在ANSI C中是使用malloc和free两个函数来动态分配和释放内存。但在嵌入式实时系统中，多次这样的错作会导致内存碎片，且由于内存管理算法的原因，malloc和free的执行时间也是不确定。
　　uC/OS-II中把连续的大快内存按分区管理。每个分区中包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间的内存快大小可以不同。用户需要动态分配内存时，系统选择一个适当的分区，按块来分配内存。释放内存时将该块放回它以前所属的分区，这样能有效解决碎片问题，同时执行时间也是固定的。
　　任务间通信与同步
　　对一个多任务的操作系统来说，任务间的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4中同步对象，分别是信号量，邮箱，消息队列和事件。所有这些同步对象都有创建，等待，发送，查询的接口用于实现进程间的通信和同步。
　　任务调度
　　uC/OS-II 采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。
　　uC/os-II的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计，uC/OS-II规定所有任务的优先级不同，因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。
　　任务调度将在以下情况下发生：
　　1） 高优先级的任务因为需要某种临界资源，主动请求挂起，让出处理器，此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行，这种调度也称为任务级的上下文切换。
　　2） 高优先级的任务因为时钟节拍到来，在时钟中断的处理程序中，内核发现高优先级任务获得了执行条件(如休眠的时钟到时)，则在中断态直接切换到高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的上下文切换。
　　这两种调度方式在uC/OS-II的执行过程中非常普遍，一般来说前者发生在系统服务中，后者发生在时钟中断的服务程序中。
　　调度工作的内容可以分为两部分：最高优先级任务的寻找和任务切换。其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。u C / O S 中的每一个任务都有独立的堆栈空间，并有一个称为任务控制块TCB(Task Control Block)的数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量OSTCBHighRdy 记录当前最高级就绪任务的TCB 地址，然后调用OS_TASK_SW()函数来进行任务切换。
　　μC/OS-II的组成部分
　　μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。
　　1) 核心部分(OSCore.c)
　　是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。
　　2) 任务处理部分(OSTask.c)
　　任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。
　　3) 时钟部分(OSTime.c)
　　μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。
　　4) 任务同步和通信部分
　　为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。
　　5) 与CPU的接口部分
　　是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。
　　uC/OS-II的任务切换机理及中断调度优化
　　摘要：μC/OS-II是一种适用于嵌入式系统的抢占式实时多任务操作系统，开放源代码，便于学习和使用。介绍μC/OS-II在任务级和中断级的任务切换原理，以及这一操作系统基于嵌入式系统的对于中断的处理；相对于内存资源较少的单片机，着重讨论一种优化的实用堆栈格式和切换形式，以提高资源的利用率；结合MSP430单片机，做具体的分析。 关键词：实时多任务操作系统 μC/OS MSP430 中断 堆栈
　　引 言
　　在嵌入式操作系统领域，由Jean J. Labrosse开发的μC/OS，由于开放源代码和强大而稳定的功能，曾经一度在嵌入式系统领域引起强烈反响。而其本人也早已成为了嵌入式系统会议（美国）的顾问委员会的成员。
　　不管是对于初学者，还是有经验的工程师，μC/OS开放源代码的方式使其不但知其然，还知其所以然。通过对于系统内部结构的深入了解，能更加方便地进行开发和调试；并且在这种条件下，完全可以按照设计要求进行合理的裁减、扩充、配置和移植。通常，购买RTOS往往需要一大笔资金，使得一般的学习者望而却步；而μC/OS对于学校研究完全免费，只有在应用于盈利项目时才需要支付少量的版权费，特别适合一般使用者的学习、研究和开发。自1992第1版问世以来，已有成千上万的开发者把它成功地应用于各种系统，安全性和稳定性已经得到认证，现已经通过美国FAA认证。
　　●　1 μC/OS-II的几大组成部分
　　μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。
　　核心部分(OSCore.c) 是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。
　　任务处理部分(OSTask.c) 任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。
　　时钟部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。
　　任务同步和通信部分 为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。
　　与CPU的接口部分 是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。
　　uC/OS II在S3C2410上的移植:
　　随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点。
　　对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，其中嵌入式微处理器和嵌入式操作系统分别是其硬件和软件的核心。
　　ARM处理器由于其具有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点，广泛应用在16/32位嵌入式RISC解决方案中，几乎占有嵌入式微处理器市场分额的75% ，本文选定三星公司生产的一款基于ARM920T核的高性能低功耗SOC芯片S3C2410作为移植方案的硬件平台。市场上主流的嵌入式实时操作系统有Vxworks、pSos、WinCE、Linux等，基于实时性、成本以及开发难度方面的考虑，我们选择uC/OS II——开放源代码的嵌入式实时操作系统。
　　● uC/OS II介绍
　　uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式(见图1)实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。为了提供最好的移植性能，uC/OS II最大程度上使用ANSI C语言进行开发，并且已经移植到近40多种处理器体系上，涵盖了从8位到64位各种CPU(包括DSP)。
　　uC/OS II可以简单的视为一个多任务调度器，在这个任务调度器之上完善并添加了和多任务操作系统相关的系统服务，如信号量、邮箱等。其主要特点有公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化。内核属于抢占式，最多可以管理60个任务。从1992年开始，由于高度可靠性、鲁棒性和安全性，uC/OS II已经广泛使用在从照相机到航空电子产品的各种应用中。
　　2 uC/OS II在S3C2410上的可移植性
　　所谓移植，就是使这个实时内核能在某个微处理器上运行。为了方便移植，大部分的uC/OS II代码是用c语言写的，但仍需要用c和汇编语言写一些与处理器相关的代码，这是因为uC/OS II在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。由于uC/OS II在设计时就已经充分考虑了可移植性，所以uC/OS II的移植相对来说是比较容易的。uC/OS II的框架结构如图2。
　　uC/OSII的正常运行需要处理器平台满足以下要求：
　　a)处理器的C编译器能产生可重入代码。
　　b)用C语言就可以打开和关闭中断。
　　c)处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10至100Hz之间)。
　　d)处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈。
　　e)处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。
　　S3C2410处理器采用ARM920T内核，内部共有37个寄存器，其中R13通常用作堆栈指针，只要系统RAM空间允许，堆栈空间理论上没有限制。ARM处理器提供ARM指令和Thumb指令两种指令集，每种指令集都包含有丰富的指令对堆栈进行操作，可以随意的对处理器中的寄存器进行堆栈操作。根据堆栈生长方向的不同，可以生成4种不同的堆栈，分别是满递增、空递增、满递减(此移植中使用的是满递减方式)、空递减。芯片内集成5个定时时钟，任何一个都可以产生定时中断，满足第三条要求。ADS集成开发环境的内置编译器可以产生可重入代码，并且支持内嵌汇编，C环境中可任意的进行开关中断操作。综上所述uC/OS II完全可以移植到S3C2410上运行。
　　3 主体移植过程
　　3.1 设置与处理器及编译器相关的代码[OS_CPU.H]
　　不同的编译器会使用不同的字节长度来表示同一数据类型，所以要定义一系列数据类型以确保移植的正确性。下面是uC/OS II定义的一部分数据类型。
　　typedef unsigned char BOOLEAN；
　　typedef unsigned char INT8U；/*无符号8位*/
　　typedef signed char INT16S；/*带符号8位*/
　　typedef unsigned int INT16U；/*无符号16位*/
　　typedef signed int INT16S；/*带符号16位*/
　　typedef unsigned long INT32U；/*无符号32位数*/
　　typedef signed long INT32S；/*带符号32位数*/
　　typedef float FP32；/*单精度浮点数*/
　　typedef double FP64；/*双精度浮点数*/
　　typedef unsigned int OS_STK；/*堆栈入口宽度*/
　　typedef unsigned int OS_CPU_SR；/*寄存器宽度*/
　　uC/OS II需要先关中断再访问临界区的代码，并且在访问完后重新允许中断。uC/OS II定义了两个宏来禁止和允许中断：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()，本移植实现这两个宏的汇编代码。
　　#define OS_ENTER_CRITICAL()(cpu_sr=OSCPUSaveSR())/*Disable interrupts*/
　　#define OS_EXIT_CRITICAL()(OSCPURestoreSR(cpu_sr))/*Enable interrupts*/
　　EXPORT OSCPUSaveSR
　　OSCPUSaveSR
　　mrs r1,cpsr
　　mov r0,r1
　　orr r1,r1,#0xc0
　　msr cpsr_cxsf,r1
　　mov pc,lr
　　EXPORT OSCPURestoreSR
　　OSCPURestoreSR
　　msr cpsr_cxsf,r0
　　mov pc,lr
　　3.2 用C语言实现与处理器任务相关的函数[OS_CPU_C.C]
　　OSTaskStkInit()
　　OSTaskCreateHook()
　　OSTaskDelHook()
　　OSTaskSwHook()
　　OSTaskStatHook()
　　OSTimeTickHook()
　　实际需要修改的只有OSTaskStkInit()函数，其他五个函数需要声明，但不一定有实际内容。这五个函数都是用户定义的，所以OS_CPU_C.C中没有给出代码。如果需要使用这些函数，可以将文件OS_CFG.H中的#define constant OS_CPU_HOOKS_EN设为1，设为0表示不使用这些函数。
　　OSTaskStkInit()函数由OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()调用，需要传递的参数是任务代码的起始地址、参数指针(pdata)、任务堆栈顶端的地址和任务的优先级，用来初始化任务的堆栈，初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。堆栈初始化工作结束后，OSTaskStkInit()返回新的堆栈栈顶指针，OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()将指针保存在任务的OS_TCB中。调用OSTaskStkInit()给任务做一个初始的任务上下文堆栈，形状如图3。
　　3.3 处理器相关部分汇编实现
　　整个uC/OS II移植实现中，只需要提供一个汇编语言文件，提供几个必须由汇编才能实现的函数。
　　a)OSStartHighRdy()
　　该函数在OSStart()多任务启动之后，负责从最高优先级任务的TCB控制块中获得该任务的堆栈指针sp，通过sp依次将CPU现场恢复，此时系统就将控制权交给用户创建的该任务的进程，直到该任务被阻塞或者被其他更高优先级的任务抢占了CPU。该函数仅仅在多任务启动时被执行一次，用来启动第一个，也就是最高优先级的任务执行。
　　b)OSCtxSw()
　　该函数是任务级的上下文切换函数，在任务因为被阻塞而主动请求与CPU调度时执行，主要工作是先将当前任务的CPU现场保存到该任务堆栈中，然后获得最高优先级任务的堆栈指针，从该堆栈中恢复此任务的CPU现场，使之继续执行，从而完成一次任务切换。
　　C)OSIntExit()
　　该函数是中断级的任务切换函数，在时钟中断ISR中发现有高优先级任务在等待时，需要在中断退出后不返回被中断的任务，而是直接调度就绪的高优先级任务执行。其目的在于能够尽快让高优先级的任务得到响应，保证系统的实时性能。
　　d)OSTickISR()
　　该函数是时钟中断处理函数，主要任务是负责处理时钟中断，调用系统实现的OSTimeTick函数，如果有等待时钟信号的高优先级任务，则需要在中断级别上调度其执行。另外两个相关函数是OSIntEnter()和OSIntExit()，都需要在ISR中执行。
　　4 测试
　　至此代码移植过程已经完成，下一步工作就是测试。测试一个象uC/OS II一样的多任务实时内核并不复杂，甚至可以在没有应用程序的情况下测试。换句话说，就是让这个实时内核在目标板上跑起来，让内核自己测试自己。这样做有两个好处：第一，避免使本来就复杂的事情更加复杂；第二，如果出现问题，可以知道问题出在内核代码上而不是应用程序。刚开始的时候可以运行一些简单的任务和时钟节拍中断服务例程。一旦多任务调度成功地运行了，再添加应用程序的任务就是非常简单的工作了。
　　5 结束语
　　采用基于ARM9的S3C2410嵌入式微处理器，可以使系统具备高性能的运算能力的同时便于与各种外设连接扩展，简化了硬件设计，维持小型化的同时降低了系统成本。uC/OS II作为一个源代码公开的操作系统，在具体应用中稳定可靠，并且支持uIP TCP/IP协议栈、ucGUI等，可扩展性强，功能强大。本系统采ARM9+uC/OS II开发设计，具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性价比高的特点，可以在各种工业场合中广泛应用，达到了设计的初衷
　　μC/OS-II作为一个嵌入式实时操作系统，自1992年以来，因其源代码的完全公开和优越性能，已为众多的爱好者和开发人员所了解并得到了广泛应用。μC/OS-II是一个占先式内核，执行时间可确定（即函数的调用与服务的时间是可知的，不依赖于应用程序的大小），目前最多支持64个任务（8个为系统保留），总是执行处于就绪态的优先级最高的任务。