嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II及其應(yīng)用

摘　要: 本文通過(guò)對(duì)一種源碼公開(kāi)的嵌入式操作系統(tǒng)mC/OS-II的分析，以51系列單片機(jī)為例，闡述了在單片機(jī)中使用該嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；μC/OS-II；單片機(jī)

早在上世紀(jì)六十年代，就已經(jīng)有人開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。但直到最近，它才在國(guó)內(nèi)被越來(lái)越多的提及。其在通信、電子、自動(dòng)化等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域所日益顯現(xiàn)的重要性吸引了人們?cè)絹?lái)越多的注意力。針對(duì)國(guó)內(nèi)大部分用戶使用的51系列的8位處理器，我們可以選擇μC/OS-II 。
μC/OS-II是由Labrosse先生編寫(xiě)的一個(gè)開(kāi)放式的內(nèi)核，它最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)的自由軟件。這一點(diǎn)對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)可謂利弊各半；好處在于，一方面它是免費(fèi)的；另一方面用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行修改。壞處在于，它缺乏必要的支持。它沒(méi)有功能強(qiáng)大的軟件包，用戶通常得自己編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，特別當(dāng)用戶使用的是不太常用的單片機(jī)，還必須自己編寫(xiě)移植程序。

μC/OS-II特點(diǎn)
(1) μC/OS-II是一個(gè)占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。通常我們都是在中斷服務(wù)程序中使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)(例如發(fā)信號(hào))，這樣退出中斷服務(wù)程序后，將進(jìn)行任務(wù)切換，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)將被執(zhí)行。但是因?yàn)槲覀儫o(wú)法確定發(fā)生中斷時(shí)程序到底執(zhí)行到了什么地方，我們也就無(wú)法判斷要經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)處理程序才會(huì)執(zhí)行，中斷響應(yīng)時(shí)間無(wú)法確定，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。如果使用μC/OS-II的話，我們只要把數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級(jí)設(shè)定的高一些，并在中斷服務(wù)程序中使它進(jìn)入就緒態(tài)，中斷結(jié)束后數(shù)據(jù)處理程序就會(huì)被立即執(zhí)行。這樣我們可以把中斷響應(yīng)時(shí)間限制在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于一些對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)，這是必不可少的。
(2)μC/OS-II和我們所知道的Linux等分時(shí)操作系統(tǒng)不同，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。每一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同 (分析它的源碼會(huì)發(fā)現(xiàn)，mC/OS-II 把任務(wù)的優(yōu)先級(jí)當(dāng)作任務(wù)的標(biāo)識(shí)來(lái)使用，如果優(yōu)先級(jí)相同，任務(wù)將無(wú)法區(qū)分)。進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)首先得到CPU的使用權(quán)，只有等它交出CPU的使用權(quán)后，其他任務(wù)才可以被執(zhí)行。所以它只能說(shuō)是多任務(wù)，不能說(shuō)是多進(jìn)程，至少不是我們所熟悉的那種多進(jìn)程。μC/OS-II的這種特性是好是壞，主要看從什么角度來(lái)判斷。顯而易見(jiàn)，如果只考慮實(shí)時(shí)性，當(dāng)然比分時(shí)系統(tǒng)好，它可以保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統(tǒng)中，重要任務(wù)畢竟是有限的，這就使得劃分其它任務(wù)的優(yōu)先權(quán)變成了一個(gè)讓人費(fèi)神的問(wèn)題。另外，有些任務(wù)交替執(zhí)行反而對(duì)用戶更有利。例如，用單片機(jī)控制兩小塊顯示屏?xí)r，無(wú)論是編程者還是使用者肯定希望它們同時(shí)工作，而不是顯示完一塊顯示屏的信息以后再顯示另一塊顯示屏的信息。
(3) μC/OS-II對(duì)共享資源提供了保護(hù)機(jī)制。μC/OS-II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。我們可以把一個(gè)完整的程序劃分成幾個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)執(zhí)行不同的功能。對(duì)于共享資源(比如串口)，μC/OS-II也提供了很好的解決辦法，一般情況下使用的是信號(hào)量方法。我們創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量并對(duì)它進(jìn)行初始化，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí)，它必須先申請(qǐng)得到這個(gè)信號(hào)量。在這個(gè)過(guò)程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因?yàn)闊o(wú)法得到信號(hào)量，也不能使用該資源。在μC/OS-II中稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的完成。在上述情況下，在兩個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是無(wú)法避免的。所以在使用μC/OS-II時(shí)，我們必須對(duì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對(duì)于某種共享資源是否使用信號(hào)量。

μC/OS-II在單片機(jī)中的應(yīng)用
(1) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡(jiǎn)單起來(lái)。我們經(jīng)常遇到編完程序時(shí)，在調(diào)試過(guò)程中要不是程序跑飛了，要不就是陷入死循環(huán)。如果在系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II，我們可以把整個(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立。然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù)，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出CPU的使用權(quán)。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問(wèn)題，也不會(huì)影響其它任務(wù)的運(yùn)行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也使得調(diào)試程序變得容易。需要指出的是，這里所說(shuō)的容易是建立在開(kāi)發(fā)人員對(duì)μC/OS-II有所了解并有實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。
(2) 在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入μC/OS-II將增加系統(tǒng)的開(kāi)銷，這在許多書(shū)籍和資料中都提到過(guò)。現(xiàn)在我們所使用的51系列單片機(jī)，其片內(nèi)都帶有一定的RAM和ROM。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的程序，如果采用傳統(tǒng)的編程方法，已經(jīng)不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器了。如果在其中嵌入μC/OS-II的話，在只需要使用任務(wù)調(diào)度、任務(wù)切換、信號(hào)量處理、延時(shí)或超時(shí)服務(wù)的情況下，也不需要外擴(kuò)ROM了，但是外擴(kuò)RAM是必須的。由于μC/OS-II是可裁減的操作系統(tǒng)，其所需要的RAM大小就依賴于我們對(duì)操作系統(tǒng)一些功能的選擇。嵌入μC/OS-II以后總的RAM需求可以由如下表達(dá)式得出：
RAM總需求=應(yīng)用程序的RAM需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+(任務(wù)棧需求+最大中斷嵌套棧需求)