細說μC/OS-II

μC/OS-II嵌入式實時操作系統自1998年推出以來，因其方便移植、代碼量小、實時性強、可靠性高、內核可剪裁等優點，成為我國計算機嵌入式應用領域最受喜愛的實時操作系統(Real-Time Opreating System)之一。由于其源碼開源，至今，已經成功在諸多廠家的MCU上移植并應用在各行各業的電子產品之中，因而備受矚目。此文幫助有意向學習μC/OS-II的初學者全面的、系統的了解實時系統的核心思想，也為正在學習μC/OS-II的童鞋們理清思路，更上層樓。

什么是μC/OS-II?

μC/OS-II是一種基于優先級可剝奪型的多任務實時內核，包含了任務調度與管理、時間管理、任務間通信與同步等基本功能。

如何實現多任務?

在μC/OS-II系統中，大多數情況下，1個任務就是一個死循環，特殊情況是，有的任務執行1次后直接銷毀自己。既然是死循環如何實現多任務呢?這就涉及到一個完整的任務調度機制，簡單來說，就是給每個任務設置合適的優先級，CPU只有一個，優先級高的任務可以搶占優先級低的任務，而獨占CPU。在μC/OS-II中，系統可以管理64個任務，有8個任務預留給系統，用戶最多可以創建56個任務，而實質上用戶不應該創建過多的任務，因為這樣的話，優先級最低的任務可能無法得到執行。

何時執行任務調度

簡單來說，高優先級的就緒任務發生時，會搶占低優先級任務的CPU，這時系統就會自動執行任務調度。在任務銷毀時，掛起時，延時時，中斷退出時都會啟動任務調度。

這里舉個例子，假如下面這段程序具有2個用戶任務LED1_TASK，和KEY_TASK。KEY_TASK的任務優先級較高，這段程序無法實現預期的功能，會出現什么問題呢?

LED閃燈任務無法得到執行，因為程序一直的執行按鍵掃描，其優先級較高(這里假定沒有中斷發生)一直在獨占CPU，而沒有釋放，也就是無法執行任務調度，在LED任務中，調用OSTimeDly()函數的同時，LED任務即被掛起，交出CPU的控制權，同時執行任務調度，系統會選擇一個處于就緒狀態的優先級最高的任務來執行。

舉上面這個例子是為了說明任務調度是在一定情況下發生的，因為是搶占式的，為了讓低優先級的任務得到執行，高優先級任務必須在適當的情況下交出CPU，如果在KEY_TASK任務中，在獲取按鍵信息后面調用OSTimeDly()函數，即可使LED閃燈任務得到執行。

關于中斷

中斷在實時操作系統中具有舉足輕重的作用，所以中斷程序的設計無疑是編程的要點及難點，在多任務實時操作系統中，不同的中斷任務被安排不同的優先級，在允許中斷嵌套的情況下，最高優先級的中斷總能得到及時響應。中斷級的任務可以看成是比最高優先級的任務級任務的優先級還要高。在用戶中斷服務程序內部，要盡可能的縮短代碼量，不要做耗時的操作，正確的做法是調用任務級任務進行相關的數據處理。

同樣，問題來了，在中斷服務程序中觸發某個任務級任務就緒，是否立即進行任務調度，答案是否定的，因為任務級任務的優先級不夠，需等待中斷服務程序退出，那系統如何知道中斷服務程序是否結束了呢，這就需要的中斷程序內部調用系統服務函數OSIntExit();以此來觸發任務調度。

硬實時與軟實時

這里說一下硬實時與軟實時的區別，能夠在指定的期限完成實時任務(即便在最壞的處理負載下也能如此)的操作系統稱為硬實時系統。但并不是任何情況下都需要硬實時支持。如果操作系統在平均情況下能支持任務的執行期限，則稱它為軟實時系統。

RTOS的優勢是硬實時控制，硬實時不是指“快”，而是指可精確預測可控制，能保證在規定時間內完成任務。因為執行時間可預測，所以當你想快時，只要選一個速度合適的CPU即可，這個需要的速度在μC/OS-II系統中是可以精確算出來的。軟實時系統的時限是一個柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時錯誤。失敗造成的后果并不嚴重。

舉個例子，汽車發生危險時，汽車氣囊彈出必須在一定時間內完成，晚一秒都會造成致命傷害(硬實時)。而在圖像傳輸過程中，偶爾丟失1幀圖像數據是可以容忍的(軟實時)。

任務同步與數據通信

毫無疑問，任務之間都不是相互割裂的，需要進行數據或者信息的交互，為此，μC/OS-II系統提供了用于任務間通信的手段。任務之間可以通過信號量，事件標志組，消息郵箱，消息隊列進行同步。而數據通信最簡單的方式是采用全局變量來共享資源，這里面涉及到保障數據可靠性的問題，比如，當一個任務正在讀數據的時候，還沒有讀完，這時一個中斷觸發高級別的任務運行，高級別的任務要更新數據，這就會導致低級別任務讀出來的數據是錯誤的。未解決此問題，可以采用關中斷、關調度、使用互斥信號量、使用計數信號量來解決，關中斷與關調度比較生硬，也違反了系統的實時性設計原則，因此推薦使用互斥信號量來解決，所謂互斥信號量，相當于一個鑰匙，鑰匙只有一個，當一個任務要訪問該資源時，必須先取得該鑰匙。

時鐘節拍

μC/OS-II需要用戶提供一個周期性的中斷來實現延時和超時等操作，這個周期性的時鐘叫“時鐘節拍”，其頻率范圍通常在10~1000Hz之間。時鐘節拍的頻率大小取決于對定時精度的要求，頻率越高，系統的負擔越重。

問題：時鐘節拍是否是μC/OS-II中必不可少的?沒有時鐘節拍系統是否能夠工作?

答案是：沒有時鐘節拍，系統照樣可以工作，只是無法進行延時或者超時判斷，無法調用延時函數來進行任務調度，但是仍然有其它方法可以進行任務切換。