學習RTOS 使用RTOS

長期以來，計算機科學專家們的杰作--實時系統(tǒng)（RTOS）與嵌入式應用產品開發(fā)工程師的理念之間存在著一道明顯的溝壑。RTOS如陽春白雪和者甚寡。分析我國推動計算機嵌入式應用發(fā)展的這支隊伍可以發(fā)現(xiàn)，他們中絕大多數(shù)是各個應用領域的專家，而沒有受過計算機專業(yè)方面的專門訓練。很多人都是從自學8位微處理器Z-80開始的，缺乏對計算機科學方面系統(tǒng)的理論知識的深層次理解。在8位CPU的嵌入式應用中這種矛盾并不突出，而當嵌入式應用走向32位，應用程序越來越復雜時，就顯得力不從心。而科班出身的計算機專家又不可能對各個應用領域都熟悉。多數(shù)應用領域的開發(fā)人員習慣于畫一塊印刷線路板，畫個程序框圖，編一個軟件，試一試，于是產品開發(fā)就完成了。從計算機科學的角度來看，不但開發(fā)出的產品存在著諸多的不安全隱患，這種開發(fā)產品的方法本身就不夠科學。RTOS是計算機專家們多年潛心研究的成果，使用RTOS不僅增加了嵌入式應用系統(tǒng)的可靠性，縮短了產品的開發(fā)時間，而且應用程序的維護也會方便許多。

在嵌入式產品開發(fā)中使用RTOS有很多好處，歸納起來主要有以下幾方面，首先RTOS支持多任務，應用程序被分解成多個任務，程序開發(fā)變得更加容易，便于維護，易讀易懂。提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。再者，計算機對關鍵事件的處理在延遲時間上有保證，即系統(tǒng)的實時性可以保證好于某一確定的值。還有系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性會得到提高。例如可以增加一些用于監(jiān)控各任務運行狀態(tài)的任務來提高系統(tǒng)的可靠性。

價格因素限制了RTOS在我國嵌入式應用產品開發(fā)中的推廣與普及。也許這才是和者甚寡的最主要原因。多數(shù)RTOS的商業(yè)產品都相當?shù)馁F，著名的RTOS價位在2萬到3萬美元之間，國內只有少數(shù)實力雄厚的單位買得起。使用中，由于許多商業(yè)RTOS軟件都是所謂的黑盒子，即不提供源代碼，用戶知其然未必知其所以然。理解不透，用得不好，RTOS的優(yōu)勢也就不能全發(fā)揮出來。有些商業(yè)軟件還要對開發(fā)出來的產品按件收費，費率從幾美元到上百美元。給產品增加力額外的成本。

隨著操作系統(tǒng)走向開放，越來越多的帶源代碼的無版稅軟件、自由軟件得到了廣泛的認可與應用。自由軟件Linux和可用于嵌入式應用的μCLinux的出現(xiàn)使RTOS不再神秘。一些商業(yè)RTOS軟件開始公開源碼。RTOS的一些自由軟件頻頻在網(wǎng)上出現(xiàn)，自由軟件μC /OS和廉價的μC/OS－Ⅱ就是很好的例子。RTOS的春天來了，廣大嵌入式應用產品開發(fā)工程師與計算機專家間的溝壑在逐漸填平。

μC/OS出自于美國的一位嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse。他后來成為嵌入式系統(tǒng)會議的顧問委員會委員，并在每年的嵌入式系統(tǒng)會議上講演。最早的文章連載在美國1992年<<嵌入式系統(tǒng)編程>>雜志的5月和6月刊上。源碼發(fā)布在該雜志的BBS上。1993年，美國的R&D出版社出了一本叫做μC/OS the Real Time Kernel的書，后來的幾年中書的銷量超過了15，000冊。世界上數(shù)以千計的工程技術人員將μC/OS應用到了各個領域，如照像機業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設備、發(fā)動機控制、網(wǎng)絡接入設備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機、工業(yè)機器人等。近10年的應用史證明，這個RTOS是穩(wěn)定可靠的，且不斷有新版本推出。

μC/OS已經(jīng)將移植到了幾乎所有知名的CUP上。移植的范例可以從網(wǎng)上下載。μC/OS the Real Time Kernel一書中附一張軟盤，是μC/OS的版本1.08。關于版權，書中寫到： 在您的應用中使用書中的代碼不需要許可證。但是您得指出您的產品中使用了μC/OS。如果是賣源碼得話，就有版權的問題了。

1998年，作者決定出μC/OS的第二本書μC/OS－Ⅱ the Real Time Kernel，并設立了正式的網(wǎng)站：WWW. uC/OS －Ⅱ.COM，給μC/OS增加了一些新的功能。并且增加了約200頁的解釋。當μC/OS的商業(yè)價值得到認可時，μC/OS－Ⅱ的版權政策也發(fā)生了變化，把目標代碼嵌入到商業(yè)產品中去也需要版稅了。最新版本的μC/OS－Ⅱ V2.51索價55.95美元。中國電力出版社購買了這本書的版權，譯成了中文版，于2001年8月出版，中文書名是<<μC/OS－Ⅱ源碼開放的嵌入式實時操作系統(tǒng)>>。

這是一本出色的教材，清華大學已在嵌入式系統(tǒng)與單片機教學中使用了這本書。書中不但給出了一個實時內核的全部源代碼，而且對這些代碼做了詳盡的解釋。對實時操作系統(tǒng)中的一些基本概念做了詳細的描述。源程序的寫作風格、注釋都相當規(guī)范、漂亮。讀了這本書就會弄明白，一段段的程序是怎么協(xié)調工作的。如果只是將數(shù)千行的程序代碼、數(shù)十個文件羅列在那里，讀起來會相當費勁。商業(yè)軟件不僅僅是貴，而即使有些軟件帶源代碼一起出售，也沒有哪一個解釋得如此詳盡。

μC/OS和μC/OS－Ⅱ是專門為計算機的嵌入式應用設計的，絕大部分代碼是用C語言寫的。CPU硬件相關部分是用匯編語言寫的，總量約200行。匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU上。用戶只要有標準的ANSI 的C交叉編譯器，有匯編、連接等軟件工具，就可以將μC/OS－Ⅱ嵌入到開發(fā)的產品中。

μC/OS和μC/OS－Ⅱ是占先式（Preemptive）多任務實時內核，是基于優(yōu)先級的，即總是讓進入就緒態(tài)的諸任務中優(yōu)先級最高的那個任務先運行。任務調度是用查表法完成的，速度快。每個任務都有互不相同的優(yōu)先級。有64個優(yōu)先級，最多支持64個任務。

μC/OS和μC/OS－Ⅱ的另一特點是可裁剪，即只嵌入用戶程序用得著的那些函數(shù)，即產品中既可以只用幾個函數(shù)，也可以嵌入全部函數(shù)，這樣內核占用的ROM/RAM資源，就可以依據(jù)產品調整。裁剪是通過條件編譯實現(xiàn)的。作者盡了極大的努力，使內核占用的資源盡量少。

μC/OS－Ⅱ這本書中提供的內核源代碼以及幾個應用的例子是80x86 CPU為對象的。讀者可以在任何一臺PC機上用PC機上的標準的C編譯器對這些代碼編譯，然后在Windows中的DOS窗口下運行RTOS，邊讀書,分析書中所附的源代碼，邊實踐,運行μC/OS－Ⅱ,找到RTOS的感覺以后，再把μC/OS－Ⅱ移植到自己熟悉的一種CPU上去。可以從網(wǎng)上下載移植的范例。由于使用的編譯器不同，網(wǎng)上的范例未必能直接使用，故一定要讀一讀源代碼，用這種方式學習和掌握一個實時內核，直到有勇氣對它做一些改動和優(yōu)化。因為μC/O-II是為了嵌入式應用編寫的通用軟件，它不得不強調諸CPU有共性的那些方面，并將匯編代碼、CPU硬件相關部分代碼壓縮到最小，不可能照顧到不同CPU的各自特點。而我國的用戶一般對自己用過的一、兩種CPU非常熟悉。讀懂這些源碼以后，根據(jù)不同CPU的特長，對μC/OS-II中相當多的函數(shù)可進一步優(yōu)化，改善RTOS的實時性。

雖然μC/OS－II僅僅是一個實時內核，但有了這個內核就有了良好的開始。在此基礎上許多功能都可以加上去，如內存管理、TCP/IP支持、遠程調用甚至文件系統(tǒng)。網(wǎng)上出現(xiàn)了基于μC/OS－Ⅱ的商業(yè)產品廣告。以μC/OS－Ⅱ為基礎，自己做一些功能軟件也不難，也有一些開放的資源可以參考。以TCP/IP為例，英國人Jeremy Bentham的TCPIP Lean: Web Server for Embedded System 一書就教您如何將TC/PIP嵌入8位單片機。

讀書、學習、實踐，不但對于大專院校的學生，特別是對有經(jīng)驗的工程師，再學習，再實踐，學習RTOS，使用RTOS，我們全民族的微計算機嵌入式應用技術水平將會邁上一個新的臺階。