RTOSuCOS-II原理及應(yīng)用RTOS是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的縮寫，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。本次演示將介紹RTOS與裸機(jī)程序的區(qū)別、優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用場景以及uCOS-II的組成、架構(gòu)、任務(wù)管理、定時(shí)器、中斷處理、內(nèi)存管理、資源共享等。RTOS概述實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是一種專門為了適應(yīng)硬實(shí)時(shí)任務(wù)而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。相對于普通操作系統(tǒng)，RTOS的任務(wù)調(diào)度和上下文切換更加快速和精確。硬軟實(shí)時(shí)RTOS支持硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)。硬實(shí)時(shí)是指系統(tǒng)必須在固定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，而軟實(shí)時(shí)則容許適度超時(shí)。嵌入式系統(tǒng)由于RTOS所占用的系統(tǒng)資源非常少，因此被廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中，如汽車電子、醫(yī)療器械、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等等。任務(wù)調(diào)度RTOS采用任務(wù)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)對任務(wù)調(diào)度的控制，任務(wù)調(diào)度算法并不是一種固定的算法，而是根據(jù)任務(wù)的特性而定。RTOS與裸機(jī)程序的區(qū)別相對于裸機(jī)程序，RTOS有很多優(yōu)勢，比如可以更好地維護(hù)代碼，提高可靠性，更好地調(diào)度執(zhí)行任務(wù)等。資源共享RTOS能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)搶占式調(diào)度，任務(wù)能夠公平合理地共享系統(tǒng)資源而不會(huì)因資源競爭而互相干擾。任務(wù)調(diào)度RTOS采用任務(wù)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)對任務(wù)調(diào)度的控制，任務(wù)調(diào)度算法并不是一種固定的算法，而是根據(jù)任務(wù)的特性而定。系統(tǒng)管理RTOS提供管理系統(tǒng)的必要接口，可供用戶控制系統(tǒng)資源及其使用、中斷服務(wù)、錯(cuò)誤檢測、任務(wù)管理、實(shí)時(shí)性等方面的限制。RTOS的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場景RTOS具有提高系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性等很多優(yōu)點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。醫(yī)療設(shè)備RTOS在醫(yī)療設(shè)備上的應(yīng)用越來越多，醫(yī)療設(shè)備對于實(shí)時(shí)性要求非常高，如手術(shù)機(jī)器人、呼吸機(jī)等。汽車電子汽車電子產(chǎn)品中包含的安全軟件、自動(dòng)駕駛技術(shù)以及以汽車為平臺(tái)的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，都需要實(shí)時(shí)性和可靠性。工業(yè)控制工業(yè)控制設(shè)備中嵌入RTOS，如PLC、工控機(jī)等，可以實(shí)現(xiàn)精確控制和快速響應(yīng)。智能家居智能家居中的終端設(shè)備都需要實(shí)時(shí)的響應(yīng)能力，如智能路由器、智能視頻監(jiān)控設(shè)備等都采用了RTOS。RTOS的分類和特點(diǎn)RTOS可以根據(jù)實(shí)時(shí)特性的強(qiáng)弱分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)。在實(shí)時(shí)性和易移植性等方面具有很強(qiáng)的特點(diǎn)。1硬實(shí)時(shí)RTOS在規(guī)定的固定時(shí)間內(nèi)必須完成任務(wù)，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，所應(yīng)用領(lǐng)域比較專業(yè)，如軍事武器等。2軟實(shí)時(shí)RTOS允許任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，但因?qū)崟r(shí)性要求不高，所以應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，如醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等。uCOS-II簡介μC/OS-II操作系統(tǒng)是由美國Micrium公司開發(fā)的一種小型、可裁減、可移植的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，被應(yīng)用在各種嵌入式設(shè)備中。優(yōu)秀特點(diǎn)μC/OS-II由于其高效率、低成本、易移植、功能完備而得到用戶的高度認(rèn)可。支持多任務(wù)、包括多級(jí)優(yōu)先級(jí)、信號(hào)量、消息隊(duì)列、定時(shí)器等。使用范圍μC/OS-II尤其適合于單片機(jī)、單片機(jī)控制的儀器儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)控制、通信系統(tǒng)、以及其他小型控制芯片系統(tǒng)的應(yīng)用。開源形式μC/OS-II提供源代碼，允許用戶修改和免費(fèi)使用，讓開發(fā)者可以根據(jù)系統(tǒng)的需求自行定制調(diào)試。uCOS-II的架構(gòu)uC/OS-II基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，分內(nèi)核部分和應(yīng)用部分。內(nèi)核部分包括任務(wù)管理器、時(shí)間管理器、中斷服務(wù)例程、系統(tǒng)調(diào)用、內(nèi)存管理等重要模塊。μC/OS-II內(nèi)核μC/OS-II作為一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，就其核心而言，分為四個(gè)部分，即任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理和中斷服務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)uC/OS-II整個(gè)系統(tǒng)是由一個(gè)任務(wù)管理器、多個(gè)任務(wù)和中斷服務(wù)組成的，并由中斷服務(wù)調(diào)度算法和任務(wù)調(diào)度算法共同完成系統(tǒng)的任務(wù)和工作。支持的處理器μC/OS支持600+種單片機(jī)，部分芯片支持iphones、windows、linux等操作系統(tǒng)。uCOS-II的任務(wù)管理和調(diào)度原理uCOS-II采用搶占式、固定優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度算法，用于實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的分配，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和中斷服務(wù)的輸出。1任務(wù)管理器任務(wù)管理器在uC/OS-II內(nèi)部采用優(yōu)先級(jí)比較和調(diào)度算法，把任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)分組，產(chǎn)生一個(gè)“優(yōu)先級(jí)標(biāo)識(shí)符表”，然后再選出一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行。2任務(wù)狀態(tài)每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)狀態(tài)：運(yùn)行、就緒、阻塞等狀態(tài)，當(dāng)任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，任務(wù)可以進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)或從任務(wù)隊(duì)列刪除。3任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度是指系統(tǒng)在多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行切換，以避免出現(xiàn)任務(wù)因時(shí)間差和優(yōu)先級(jí)所造成的問題。uCOS-II中的信號(hào)量和消息隊(duì)列uC/OS-II提供了信號(hào)量和消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行任務(wù)間的同步和通信。信號(hào)量uCos在任務(wù)之間提供同步機(jī)制，在任務(wù)中可以通過稱為信號(hào)量機(jī)制訪問共享資源。消息隊(duì)列uC/OS-II可以用消息通訊的方法來實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的通訊，支持隊(duì)列和郵箱模式，可以滿足多目標(biāo)任務(wù)間的完全異步通訊。uCOS-II中的定時(shí)器和時(shí)鐘xC/OS-II提供了定時(shí)器和時(shí)鐘功能，用于向任務(wù)傳遞時(shí)間信息。1定時(shí)器uC/OS-II中可以定義精度不同的多個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都含有一個(gè)由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器。2時(shí)鐘uC/OS-II中提供了對多個(gè)時(shí)鐘的支持，可以方便地創(chuàng)建或刪除新時(shí)鐘，它們可以用于任務(wù)定時(shí)、軟件定時(shí)和硬件定時(shí)等。uCOS-II中的中斷處理原理uC/OS-II采用阻塞式中斷處理原理，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，uC/OS-II的處理程序會(huì)暫時(shí)把當(dāng)前任務(wù)阻塞，并啟動(dòng)相應(yīng)的中斷服務(wù)，中斷服務(wù)完成后會(huì)重新讓任務(wù)運(yùn)行。1阻塞式中斷處理中斷被啟動(dòng)后，uCs會(huì)停止任務(wù)的執(zhí)行，停止時(shí)間精確到晶振的最小精度，當(dāng)中斷處理完畢后將恢復(fù)原狀態(tài)，重新運(yùn)行剛才被中斷的任務(wù)。2信號(hào)量機(jī)制中斷還可以激活另一個(gè)任務(wù)，該任務(wù)可以通過稱為信號(hào)量機(jī)制對共享資源進(jìn)行操作。uCOS-II中的內(nèi)存管理和優(yōu)化uC/OS-II指針系統(tǒng)是關(guān)于內(nèi)存管理的核心方式，與其它OS類似，將堆、棧和RAM劃分為不同的塊。內(nèi)存分配uCOS-II采用簡單、靈活的堆管理方式，支持兩種分配方式，動(dòng)態(tài)分配和靜態(tài)分配。內(nèi)存保護(hù)uCOS-II采用安全、無污染的內(nèi)存分配機(jī)制，為用戶提供二進(jìn)制安全通信和加密的機(jī)制。內(nèi)存優(yōu)化uC/OS-II指針系統(tǒng)是關(guān)于內(nèi)存管理的核心方式，可用于簡化堆的分配，實(shí)現(xiàn)更好的內(nèi)存優(yōu)化。uCOS-II中的系統(tǒng)保護(hù)和異常處理uC/OS-II提供了針對錯(cuò)誤的系統(tǒng)保護(hù)和異常處理機(jī)制，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。軟件錯(cuò)誤保護(hù)操作系統(tǒng)不會(huì)因編程錯(cuò)誤而失敗，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)督。硬件故障為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，uC/OS-II提供了針對硬件故障的異常處理機(jī)制。uCOS-II中的增量式垃圾回收算法uC/OS-II中的垃圾回收機(jī)制利用的是增量式垃圾回收算法，對于占用內(nèi)存較多的系統(tǒng)有較強(qiáng)的優(yōu)化效果。1增量式回收uC/OS-II采用增量式垃圾回收算法，在運(yùn)行時(shí)會(huì)在程序運(yùn)行中分批次地進(jìn)行回收和清理，不會(huì)像標(biāo)準(zhǔn)GC那樣導(dǎo)致程序暫停。2內(nèi)存效率高增量式垃圾回收機(jī)制可以最大化內(nèi)存的利用率，從而為系統(tǒng)節(jié)省大量的資源。uCOS-II中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法uC/OS-II中使用了很多重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，如鏈表、隊(duì)列、雙向隊(duì)列等，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率、嚴(yán)密性和誤差控制具有至關(guān)重要的作用。1鏈表uC/OS-II采用雙向鏈表和單向鏈表等多種方式來實(shí)現(xiàn)Different功能的儲(chǔ)存和管理，從而可以有效的處理外存儲(chǔ)及可擴(kuò)展性要求。2隊(duì)列uC/OS-II允許創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)并行使用隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信或多個(gè)終端集中通訊控制。3雙向鏈表雙向鏈表可用于維護(hù)某一對象的前趨和后續(xù)順序，實(shí)現(xiàn)按照某種排序方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目的。uCOS-II中的API和驅(qū)動(dòng)程序uC/OS-II提供了一系列API，使得用戶可以方便地編寫uC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序。其API包括任務(wù)管理、定時(shí)器、消息隊(duì)列、信號(hào)量、互斥、事件計(jì)數(shù)等多種功能。任務(wù)管理APIOSTaskCreateExt()OSTaskDel()OSTaskSuspend()OSTaskResume()中斷管理APIOSIntEnter()OSIntExit()OSIntExitYield()OS_CPU_SR_Save()其他APIOSStart()OSSemCreate()OSSemPend()OSSemPost()uCOS-II的配置和移植uC/OS-II可以根據(jù)用戶系統(tǒng)的需求進(jìn)行不同的配置，開發(fā)者可以通過修改內(nèi)部宏定義文件的方式進(jìn)行二次開發(fā)和較深層次的定制。UC/OS-II軟件配置uC/OS-II提供了向用戶接口的宏定義和選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)需要在軟件系統(tǒng)中定制、選填和修改，以實(shí)現(xiàn)各種不同的應(yīng)用需求。UC/OS-II移植性uC/OS-II的可移植性非常好，在不同處理器下也可以比較輕松地進(jìn)行移植和適配，方便跨平臺(tái)借鑒。用uCOS-II實(shí)現(xiàn)的案例分析uC/OS-II被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式平臺(tái)，其中包括一些成功的商業(yè)應(yīng)用和一些應(yīng)用性實(shí)例。電子門鎖系統(tǒng)機(jī)密數(shù)據(jù)的安全性是電子門鎖系統(tǒng)中重要的一環(huán)，通過uC/OS-II處理數(shù)據(jù)，可方便地實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的安全保障。車載電子系統(tǒng)導(dǎo)航儀、車載音響等車載電子系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出，uC/OS-II能夠快速響應(yīng)任務(wù)，并且實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的時(shí)間同步。uCOS-II在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用uC/OS-II被廣泛應(yīng)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，比如路由器、交換機(jī)、無線網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持TCP/UDP協(xié)議、各種網(wǎng)絡(luò)接口、各種VxWorks函數(shù)、各種VxWorks模塊。無線路由器嵌入式系統(tǒng)的無線路由器負(fù)責(zé)從Internet中接收和向用戶端通訊，如何最大限度地實(shí)現(xiàn)資源共享和高效率的通信族禁止，就需要uC/OS-II幫忙。uCOS-II在嵌入式系統(tǒng)中的使用uC/OS-II在嵌入式操作系統(tǒng)中的應(yīng)用較多，如路由器、儀器儀表、工業(yè)控制、通訊設(shè)備、汽車電子等。1工業(yè)控制uC/OS-II可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的控制器、傳感器等嵌入式系統(tǒng)。其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性可以保障工業(yè)保證生產(chǎn)線的安全和高效。2嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如路由器、交換機(jī)、無線網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，uC/OS-II可保證其實(shí)時(shí)和高效的數(shù)據(jù)交換，并且提供平臺(tái)獨(dú)立的瀏覽器訪問功能。3儀器儀表采用uC/OS-II的嵌入式控制器能夠有效的實(shí)現(xiàn)對儀器儀表的穩(wěn)定控制和任務(wù)執(zhí)行，提高被動(dòng)傳感器的精確度。uCOS-II的優(yōu)化及其未來發(fā)展uC/OS-II雖然已經(jīng)比較成熟，但它還有很多方面可以進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，比如在高可用領(lǐng)域中的巨大使用價(jià)值，如何充分利用硬件資源的優(yōu)勢來更高效地運(yùn)行它。1性能優(yōu)化uC/OS-II可以采用