【小黑嵌入式系统第十课】μC/OS-III概况——实时操作系统的特点、基本概念（内核任务中断）、与硬件的关系实现

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一、为什么要学习μC/OS-III

一. 凡从事嵌入式系统开发工作的人，必须对嵌入式操作系统有足够的了解。

二. 对于初学者，从μC/OS-III开始是个明智的选择。

• μC/OS-III麻雀虽小，却五脏基本全（它是个微内核）。

• 可以把操作系统抽象概念具体化。

• 可以学习实时系统的一些编程技巧。

• 具有很强的实用性。

• 学习数据结构应用的好例子。

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二、嵌入式操作系统的发展历史

1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。

随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx， μCOS、Nucleus，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。

今天RTOS已经在全球形成了一个产业。

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三、实时操作系统的特点

IEEE 的实时UNIX分委会认为实时操作系统应具备以下的几点:

• 异步的事件响应
• 切换时间和中断延迟时间确定
• 优先级中断和调度
• 抢占式调度
• 同步

总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。

从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。

• 一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。

• 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致的。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K～几十KB 内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)等特点 。

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四、基本概念

1. 前后台系统

对基于芯片的开发来说，应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统或超循环系统。

前后台系统结构简单，很多基于微处理器的产品都采用了前后台系统设计，例如微波炉、电话机、玩具等。而在一些基于微处理器的应用中，从省电的角度出发，平时微处理器处在停机状态，所有事都靠中断服务来完成。

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2. 操作系统

操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供应用程序接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。

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3. 实时操作系统（RTOS）

实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括CPU、存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。

在RTOS支持的系统中， 每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

实时操作系统包含实时内核，以及其它高级的服务如：文件管理、协议栈、图形用户接口（GUI）等。

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4. 内核

多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通信。内核提供的最基本服务是任务切换。使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。

内核需要消耗一定的系统资源，比如2％～5％的CPU运行时间、RAM和ROM等。

内核还提供一些必不可少的系统服务，如信号量、消息队列、延时等。

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5. 任务

一个任务，也称作一个线程，是一段简单的程序，该程序可以认为CPU完全属于该程序自己。每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。

实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分。

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6. 任务优先级

任务的优先级是表示任务被调度的优先程度。每个任务都具有优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高，越容易被调度进入运行态。

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7. 任务切换

当多任务内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态，即CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区，即任务自已的栈之中。入栈工作完成以后，就把下一个将要运行的任务的当前状态从其栈中重新装入CPU的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个过程就称为任务切换。

这个过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多，额外负荷就越重。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。

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8. 调度

调度是内核的主要职责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程序的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。

然而究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是非抢占式的还是抢占式的内核。

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9. 非抢占式（合作式）内核

非抢占式内核要求每个任务自我放弃CPU 的所有权。非抢占式调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。

异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起（Pending，或译为“等待” ）状态变为就绪状态。但中断服务以后CPU控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

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10. 抢占式（可剥夺式）内核

当系统响应时间很重要时，要使用抢占式内核。因此绝大多数商业上销售的实时内核都是抢占式内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪状态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。

如果是中断服务程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务将被挂起，优先级高的那个任务开始运行。

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11. 中断

中断是一种硬件机制，用于通知CPU有个异步事件发生了。中断一旦被识别，CPU保存部分（或全部）上下文即部分或全部寄存器的值，跳转到专门的子程序，称为中断服务程序（ISR）。中断服务程序做事件处理，处理完成后，程序回到：

1. 在前后台系统中，程序回到后台程序；
2. 对非抢占式内核而言，程序回到被中断了的任务；
3. 对抢占式内核而言，让进入就绪态的优先级最高的任务开始运行。

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12. 时钟节拍

时钟节拍是特定的周期性中断。这个中断可以看作是系统心脏的脉动。中断之间的时间间隔取决于不同应用，一般在10ms到200ms之间。时钟的节拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍，以及当任务在等待事件发生时，提供等待超时的依据。

时钟节拍率越快，系统的额外开销就越大。

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五、使用嵌入式操作系统的优缺点

• 优点

  • 使程序的设计和扩展变得容易，大大提高了开发效率。
  • 充分发挥32位CPU多任务的潜力，实现多任务设计，能够充分利用硬件资源和实现资源共享。
  • 实时性和健壮性能够得到更好的保证。

• 缺点

  • 嵌入式操作系统占用ROM/RAM等额外开销，5～10％的CPU额外负荷。

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六、嵌入式操作系统分类

• 按收费模式划分
  • 商用型：
    Vxworks, Nucleus, PlamOS, Symbian, WinCE, QNX, pSOS, VRTX, Lynx OS, Hopen, Delta OS
  • 免费型：
    Linux, μCLinux, μC/OS-III（非商用时）, eCos, uITRON
• 按实时性划分
  • 硬实时：
    Vxworks、μC/OS-III
    软实时
    WinCE, RTLinux
  • 无实时：
    Embedded Linux

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七、μC/OS简介

• μC/OS—Micro Controller OS

• 美国人Jean Labrosse 1992年完成，已应用于众多产品中。

• 应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等。

• 1998年μC/OS-II、2009年μC/OS-III

• 满足航空电子、工业控制、医疗等市场的针对可靠性/安全性的认证标准。

• 是一个源码公开、可移植、可裁减、可固化、占用资源少、抢占式的实时多任务操作系统内核。其绝大部分源码采用ANSI C编写，可移植性好。高校教学可免费使用。

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八、Jean J. Labrosse的故事

• 80年代末，我设计了一个基于Intel 80C188的产品，需要一个实时内核。
• 使用一个知名的内核太贵了，廉价的内核B（当时大约1000美元以下)让我总给该厂商打电话求援。该厂商声称内核B是用C语言写的，可我还得用汇编语言初始化程序的每个对象，实在是烦透了，产品的开发也耽误了。
• 后来我得知我是该厂商的第一个客户

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九、μC/OS 的几个典型应用

• NSA2010便携式电话，在日本大约有15000台投入市场。使用μC/OS实时操作系统。

• CYCLONE移动电话，Hitachi H8S/2318k微程序控制器，256K闪存和8K Ram， μC/OS 实时操作系统。

选择μC/OS的原因：
INFEA R&D的职员从1996年以来开始应用Micriμm实时操作系统。通过比较，还没有发现比μC/OS更好的实时操作系统。

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十、µC/OS-III的特点

• 源代码开放

• 便捷的应用程序编程接口（API）

• 抢占式多任务管理

• 同优先级任务的时间片轮转调度

• 极短的关中断时间

• 确定性

• 可裁剪

• 可移植

• 可固化

• 可动态配置

• 任务数目不受限制

• 内核对象数目不受限制

• 丰富的系统服务

• 互斥型信号量

• 软件定时器

• 同时等待多个内核对象

• 直接向任务发信号、消息

• 任务寄存器

• 出错检验

• 内置性能测试

• 易于优化

• 防止死锁

• 内置的内核察觉式调试

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十一、µC/OS-III的结构及其与硬件的关系

按照每个模块的标记顺序，对内核每个模块的功能进行说明：

（1）应用程序代码。为了方便起见，将其简称为APP.C和APP.H，然而，一个应用可包含任意数量的文件，这些文件并不一定叫APP.*。通常在应用程序代码中可找到主函数main()。

（2）半导体制造商通常以源代码的形式提供库函数，用于访问他们生产的CPU或者MCU的外设。这些库非常的有用。

（3）板级支持包（Board Support Package，BSP）是操作系统与目标板外设的交互代码。比如，这些代码可用于打开或者关闭LED灯、继电器，读开关状态、读温度传感器等。

（4）这是μC/OS-III中与CPU无关的代码，这部分代码是用高度可移植的ANSI C编写的。

（5）这部分μC/OS-III代码需要根据特定的CPU架构进行修改，该过程称为移植（porting）。

（6）Micrium公司将CPU相关功能代码封装起来。这些文件定义了禁止和使能中断的函数，与CPU和使用的编译器有关的CPU_???数据类型，和一些其它的函数。

（7）μC/LIB是一系列提供通用函数的源文件，比如内存复制、字符串和ASCII码的相关函数。其中一部分函数用来代替编译器所提供的stdlib库里的函数。这些函数代码的提供确保了应用程序之间，特别是编译器之间的可移植性。μC/OS-III并不使用这些文件，但μC/CPU会用到。

（8）这部分是μC/OS-III的配置文件。OS_CFG.H配置μC/OS-III的功能；OS_CFG_APP.H配置μC/OS-III特定变量或数据结构的大小，比如：空闲任务的栈大小，时钟节拍的频率、消息缓冲池的大小等； CPU_CFG.H用来配置应用程序编程人员可用的μC/CPU功能；LIB _CFG.H用来配置μC/LIB选项。

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µC/OS-III不是自由软件和免费软件，用于商业目的时须取得许可证

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