嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II及其應用
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關鍵詞： 實時操作系統(tǒng)；mC/OS-II；單片機
早在上世紀六十年代，就已經有人開始研究和開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)。但直到最近，它才在國內被越來越多的提及。其在通信、電子、自動化等需要實時處理的領域所日益顯現的重要性吸引了人們越來越多的注意力。針對國內大部分用戶使用的51系列的8位處理器，我們可以選擇mC/OS-II 。
mC/OS-II是由Labrosse先生編寫的一個開放式的內核，它最主要的特點就是源碼公開的自由軟件。這一點對于用戶來說可謂利弊各半；好處在于，一方面它是免費的；另一方面用戶可以根據自己的需要對它進行修改。壞處在于，它缺乏必要的支持。它沒有功能強大的軟件包，用戶通常得自己編寫驅動程序，特別當用戶使用的是不太常用的單片機，還必須自己編寫移植程序。
mC/OS-II特點
(1) mC/OS-II是一個占先式的內核，即已經準備就緒的高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務的CPU使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內核要好。通常我們都是在中斷服務程序中使高優(yōu)先級任務進入就緒態(tài)(例如發(fā)信號)，這樣退出中斷服務程序后，將進行任務切換，高優(yōu)先級任務將被執(zhí)行。但是因為我們無法確定發(fā)生中斷時程序到底執(zhí)行到了什么地方，我們也就無法判斷要經過多長時間數據處理程序才會執(zhí)行，中斷響應時間無法確定，系統(tǒng)的實時性不強。如果使用mC/OS-II的話，我們只要把數據處理程序的優(yōu)先級設定的高一些，并在中斷服務程序中使它進入就緒態(tài)，中斷結束后數據處理程序就會被立即執(zhí)行。這樣我們可以把中斷響應時間限制在一定的范圍內。對于一些對中斷響應時間有嚴格要求的系統(tǒng)，這是必不可少的。
(2)mC/OS-II和我們所知道的Linux等分時操作系統(tǒng)不同，不支持時間片輪轉法。它是一個基于優(yōu)先級的實時操作系統(tǒng)。每一個任務的優(yōu)先級必須不同 (分析它的源碼會發(fā)現，mC/OS-II 把任務的優(yōu)先級當作任務的標識來使用，如果優(yōu)先級相同，任務將無法區(qū)分)。進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務首先得到CPU的使用權，只有等它交出CPU的使用權后，其他任務才可以被執(zhí)行。所以它只能說是多任務，不能說是多進程，至少不是我們所熟悉的那種多進程。mC/OS-II的這種特性是好是壞，主要看從什么角度來判斷。顯而易見，如果只考慮實時性，當然比分時系統(tǒng)好，它可以保證重要任務總是優(yōu)先占有CPU。但是在系統(tǒng)中，重要任務畢竟是有限的，這就使得劃分其它任務的優(yōu)先權變成了一個讓人費神的問題。另外，有些任務交替執(zhí)行反而對用戶更有利。例如，用單片機控制兩小塊顯示屏時，無論是編程者還是使用者肯定希望它們同時工作，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) mC/OS-II對共享資源提供了保護機制。mC/OS-II是一個支持多任務的操作系統(tǒng)。我們可以把一個完整的程序劃分成幾個任務，不同的任務執(zhí)行不同的功能。對于共享資源(比如串口)，mC/OS-II也提供了很好的解決辦法，一般情況下使用的是信號量方法。我們創(chuàng)建一個信號量并對它進行初始化，當一個任務需要使用一個共享資源時，它必須先申請得到這個信號量。在這個過程中即使有優(yōu)先權更高的任務進入了就緒態(tài)，因為無法得到信號量，也不能使用該資源。在mC/OS-II中稱為優(yōu)先級反轉。簡單的說，就是高優(yōu)先級任務必須等待低優(yōu)先級任務的完成。在上述情況下，在兩個任務之間發(fā)生優(yōu)先級反轉是無法避免的。所以在使用mC/OS-II時，我們必須對所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對于某種共享資源是否使用信號量。
mC/OS-II在單片機中的應用
(1) 在單片機系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增強系統(tǒng)的可靠性，并使得調試程序變得簡單起來。我們經常遇到編完程序時，在調試過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mC/OS-II，我們可以把整個程序分成許多任務，每個任務相對獨立。然后在每個任務中設置超時函數，時間用完以后，任務必須交出CPU的使用權。即使一個任務發(fā)生問題，也不會影響其它任務的運行。這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也使得調試程序變得容易。需要指出的是，這里所說的容易是建立在開發(fā)人員對mC/OS-II有所了解并有實際操作經驗的基礎上的。
(2) 在單片機系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增加系統(tǒng)的開銷，這在許多書籍和資料中都提到過。現在我們所使用的51系列單片機，其片內都帶有一定的RAM和ROM。對于一些簡單的程序，如果采用傳統(tǒng)的編程方法，已經不需要外擴存儲器了。如果在其中嵌入mC/OS-II的話，在只需要使用任務調度、任務切換、信號量處理、延時或超時服務的情況下，也不需要外擴ROM了，但是外擴RAM是必須的。由于UC/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操作系統(tǒng)一些功能的選擇。嵌入mC/OS-II以后總的RAM需求可以由如下表達式得出：
RAM總需求=應用程序的RAM需求+內核數據區(qū)的RAM需求+(任務棧需求+最大中斷嵌套棧需求) linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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