嵌入式實時操作系統(tǒng)

μC/OS-II講座北華大學(xué)任哲2006廣州嵌入式實時操作系統(tǒng)北華大學(xué)1為什么要學(xué)習(xí)μC/OS-II一.凡從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作的人，必須對嵌入式操作系統(tǒng)有足夠的了解。二.對于初學(xué)者，從μC/OS-II開始是個明智的選擇。1.μC/OS-II麻雀雖小，卻五臟基本全（它是個微內(nèi)核）。2.可以學(xué)習(xí)實時系統(tǒng)的一些編程技巧。3.可以把在學(xué)校中學(xué)到的操作系統(tǒng)抽象概念具體化。4.具有很強的實用性。5.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的好例子。為什么要學(xué)習(xí)μC/OS-II一.凡從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作的人2講座的主要內(nèi)容一.計算機操作系統(tǒng)的基本概念二.操作系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三.并發(fā)操作系統(tǒng)的概念四.任務(wù)的要素五.μC/OS-II的任務(wù)管理（任務(wù)調(diào)度）六.μC/OS-II的中斷和時鐘七.μC/OS-II的任務(wù)的同步與通信八.μC/OS-II的存儲管理九.硬件抽象層和測試臺講座的主要內(nèi)容一.計算機操作系統(tǒng)的基本概念3操作系統(tǒng)是一種為應(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，是一個完整計算機系統(tǒng)的有機組成部分。從層次來看，操作系統(tǒng)位于計算機硬件之上，應(yīng)用軟件之下。所以也把它叫做應(yīng)用軟件的運行平臺。什么是計算機操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）操作系統(tǒng)是一種為應(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，是一個完整計算機4它在計算機應(yīng)用程序與計算機硬件系統(tǒng)之間，屏蔽了計算機硬件工作的一些細(xì)節(jié)，并對系統(tǒng)中的資源進(jìn)行有效的管理。通過提供函數(shù)（應(yīng)用程序接口（API）），從而使應(yīng)用程序的設(shè)計人員得以在一個友好的平臺上進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計和開發(fā)，大大地提高了應(yīng)用程序的開發(fā)效率。計算機操作系統(tǒng)的作用從用戶的角度來看，它就是一大堆函數(shù)（API和系統(tǒng)函數(shù)），用戶可以調(diào)用（普通調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用）它們來對系統(tǒng)資源進(jìn)行操作。計算機硬件用匯編語言編寫的硬件抽象層高級語言的接口應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)的作用從用戶的角度來看，它就是一大堆函數(shù)（AP5操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)的功能處理器的管理存儲管理網(wǎng)絡(luò)和通信的管理I/O設(shè)備管理文件管理任務(wù)管理任務(wù)表存儲分配表文件目錄設(shè)備表總之，需要一大堆表操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)的功能處理器的管理存儲管理網(wǎng)絡(luò)和通信的6操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)組）數(shù)組1。同一數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合；2。占用連續(xù)內(nèi)存空間；3。其中的所有元素名稱都相同，但每個元素都有一個編號；4。元素名去掉編號（下標(biāo)），得到的是數(shù)組名，數(shù)組名是個指針。inta[10]a[0]a[1]a[2]a[3]a[9]aa+1使用上的特點：1。分類存放；2。檢索速度快且恒定；3。缺點：占用連續(xù)空間大……a+2a+3a+9應(yīng)用：記錄同類事物的表操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用數(shù)組inta[10]a[0]a[1]a[7操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（位圖）位圖是數(shù)組的一種特殊應(yīng)用a[10]（可以記錄80個事物的狀態(tài)）a[0]a[1]a[2]a[3]a[9]aa+1……a+2a+3a+9應(yīng)用：登記表1/0D7D6D5D4D3D2D1D0操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用a[10]a[0]a[1]a[2]a[38操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）1。不同數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合；2。占用連續(xù)內(nèi)存空間；structStudent{intage;char*name;charsex;};使用上的特點：1。不分類存放，但用來描述同一事物；2。檢索速度快且恒定；應(yīng)用：通訊錄中的一條記錄、工具箱、廚房等等操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用structStudent{使用上的特點9nextnext兩個元素的鏈表操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（鏈表）structStudent{Student*nextintage;char*name;charsex;};1。同數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合；2。不占用連續(xù)內(nèi)存空間。使用上的特點：1。分類存放，但空間上不連續(xù)（不需要大量的連續(xù)存儲空間）；2。檢索速度慢，且耗費的時間不固定；應(yīng)用：存放大量的較大的表，類似檔案柜nextnext兩個元素的鏈表操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用st10操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（隊列）按照先進(jìn)先出的規(guī)則組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以用數(shù)組也可以用鏈表來實現(xiàn)主要用于對象的排隊操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用按照先進(jìn)先出11操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（堆棧）按照先進(jìn)后出規(guī)則組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要用數(shù)組來實現(xiàn)主要用于程序模塊的嵌套運行操作系統(tǒng)中經(jīng)常使用12什么是多任務(wù)系統(tǒng)簡單地說，就是能用一個處理器并發(fā)（注意，不是同時！）地運行多個程序的計算機管理系統(tǒng)。并發(fā)：由同一個處理器輪換地運行多個程序。或者說是由多個程序輪班地占用處理器這個資源。且在占用這個資源期間，并不一定能夠把程序運行完畢。并發(fā)過程示意圖處理器如何進(jìn)行程序的切換？什么是多任務(wù)系統(tǒng)并發(fā)過程處理器如何進(jìn)行程序的13程序的切換（兩句話）處理器是個傻瓜，PC讓它干啥，它就干啥。PC是個指路器，它指向哪兒，處理器就去哪兒。從此可以知道，哪個程序占有了PC，哪個程序就占有了處理器。

=PC深刻地理解PC是理解系統(tǒng)進(jìn)行程序切換動作的關(guān)鍵。程序的切換（兩句話）處理器是個傻瓜，PC讓它干啥，它就干啥。14所謂切換就是：PC目標(biāo)地址如何操作PC指令：不同的計算機類型的指令是不同的。數(shù)據(jù)傳送指令子程序返回指令（由堆棧彈出）中斷服務(wù)程序返回指令（由堆棧彈出）所謂切換就是：如何操作PC指令：數(shù)據(jù)傳送指令15小結(jié)系統(tǒng)是通過把待運行程序的地址賦予程序計數(shù)器PC來實現(xiàn)程序的切換的。小結(jié)系統(tǒng)是通過把待運行程序的地址賦予程序計數(shù)器PC來實現(xiàn)程序16任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP任務(wù)運行時與處理器之間的關(guān)系處理器通過兩個指針寄存器（PC和SP）來與任務(wù)代碼和任務(wù)堆棧建立聯(lián)系并運行它寄存器組程序運行環(huán)境運行環(huán)境包括了兩部分：處理器中的運行環(huán)境和內(nèi)存中的運行環(huán)境任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP任務(wù)運行時與處理器通過兩個17任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP多任務(wù)時的問題任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存？當(dāng)有多個任務(wù)時，處理器中的運行環(huán)境應(yīng)該怎么辦？寄存器組程序運行環(huán)境任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP多任務(wù)時的問題任務(wù)代碼任務(wù)18程序虛擬處理器PCSP虛擬處理器PCSP虛擬處理器PCSP虛擬處理器PCSP調(diào)度器多任務(wù)時任務(wù)與處理器之間關(guān)系的處理程序處理器PCSP在內(nèi)存中為每個任務(wù)創(chuàng)建一個虛擬的處理器（處理器部分的運行環(huán)境由操作系統(tǒng)的調(diào)度器按某種規(guī)則來進(jìn)行這兩個復(fù)制工作復(fù)制當(dāng)需要運行某個任務(wù)時就把該任務(wù)的虛擬處理器復(fù)制到實際處理器中復(fù)制當(dāng)需要中止當(dāng)前任務(wù)時，則把任務(wù)對應(yīng)的虛擬處理器復(fù)制到內(nèi)存復(fù)制再把另一個需要運行的任務(wù)的虛擬處理器復(fù)制到實際處理器中寄存器組寄存器組也就是說，任務(wù)的切換是任務(wù)運行環(huán)境的切換程序虛擬PCSP虛擬PCSP虛擬PCSP虛擬19虛擬處理器虛擬處理器應(yīng)該存儲的主要信息：1。程序的斷點地址（PC）2。任務(wù)堆棧指針（SP）3。程序狀態(tài)字寄存器（PSW）4。通用寄存器內(nèi)容5。函數(shù)調(diào)用信息（已存在于堆棧）另外再用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存任務(wù)堆棧指針（SP），這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做任務(wù)控制塊，它除了保存任務(wù)堆棧指針之外還要負(fù)責(zé)保存任務(wù)其他信息。這些內(nèi)容通常保存在任務(wù)堆棧中，這些內(nèi)容也常叫做任務(wù)的上下文。任務(wù)控制塊是由操作系統(tǒng)另行構(gòu)造的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個任務(wù)都有一個。任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)的主要成員typedefstructos_tcb{

OS_STK*OSTCBStkPtr; //指向任務(wù)堆棧棧頂?shù)闹羔?/p>

……

INT8U OSTCBStat; //任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)志

INT8U OSTCBPrio; //任務(wù)的優(yōu)先級別

……}OS_TCB;

任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存任務(wù)控制塊其實，程序切換的關(guān)鍵是把程序的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP實質(zhì)上系統(tǒng)是通過SP的切換來實現(xiàn)程序的切換的。要建立一個概念：具有控制塊的程序才是一個可以被系統(tǒng)所運行的任務(wù)。程序代碼、私有堆棧、任務(wù)控制塊是任務(wù)的三要件。任務(wù)控制塊提供了運行環(huán)境的存儲位置。虛擬處理器虛擬處理器應(yīng)該存儲的主要信息：另外再用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)20任務(wù)的基本概念

把一個大型任務(wù)分解成多個小任務(wù)，然后在計算機中通過運行這些小任務(wù)，最終達(dá)到完成大任務(wù)的目的。在μC/OS-II中，與上述那些小任務(wù)對應(yīng)的程序?qū)嶓w就叫做“任務(wù)”（實質(zhì)上是一個線程），μC/OS-II就是一個能對這些小任務(wù)的運行進(jìn)行管理和調(diào)度的多任務(wù)操作系統(tǒng)。

從應(yīng)用程序設(shè)計的角度來看，μC/OS-II的任務(wù)就是一個用戶編寫的C函數(shù)和與之相關(guān)聯(lián)的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的一個實體。

任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存在內(nèi)存中應(yīng)該存有任務(wù)的代碼和與該任務(wù)配套的堆棧把一個大型任務(wù)分解成多個小任務(wù)，然后在計算機中通過運行這些小21任務(wù)切換過程獲得待運行