細(xì)說μC/OS-II

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)自1998年推出以來，因其方便移植、代碼量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、內(nèi)核可剪裁等優(yōu)點(diǎn)，成為我國計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域最受喜愛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-Time Opreating System)之一。由于其源碼開源，至今，已經(jīng)成功在諸多廠家的MCU上移植并應(yīng)用在各行各業(yè)的電子產(chǎn)品之中，因而備受矚目。此文幫助有意向?qū)W習(xí)μC/OS-II的初學(xué)者全面的、系統(tǒng)的了解實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心思想，也為正在學(xué)習(xí)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(yōu)先級(jí)可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信與同步等基本功能。

如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)?

在μC/OS-II系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，1個(gè)任務(wù)就是一個(gè)死循環(huán)，特殊情況是，有的任務(wù)執(zhí)行1次后直接銷毀自己。既然是死循環(huán)如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)呢?這就涉及到一個(gè)完整的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，簡(jiǎn)單來說，就是給每個(gè)任務(wù)設(shè)置合適的優(yōu)先級(jí)，CPU只有一個(gè)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)可以搶占優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)，而獨(dú)占CPU。在μC/OS-II中，系統(tǒng)可以管理64個(gè)任務(wù)，有8個(gè)任務(wù)預(yù)留給系統(tǒng)，用戶最多可以創(chuàng)建56個(gè)任務(wù)，而實(shí)質(zhì)上用戶不應(yīng)該創(chuàng)建過多的任務(wù)，因?yàn)檫@樣的話，優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)可能無法得到執(zhí)行。

何時(shí)執(zhí)行任務(wù)調(diào)度

簡(jiǎn)單來說，高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)發(fā)生時(shí)，會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。在任務(wù)銷毀時(shí)，掛起時(shí)，延時(shí)時(shí)，中斷退出時(shí)都會(huì)啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度。

這里舉個(gè)例子，假如下面這段程序具有2個(gè)用戶任務(wù)LED1_TASK，和KEY_TASK。KEY_TASK的任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，這段程序無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，會(huì)出現(xiàn)什么問題呢?

LED閃燈任務(wù)無法得到執(zhí)行，因?yàn)槌绦蛞恢钡膱?zhí)行按鍵掃描，其優(yōu)先級(jí)較高(這里假定沒有中斷發(fā)生)一直在獨(dú)占CPU，而沒有釋放，也就是無法執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，在LED任務(wù)中，調(diào)用OSTimeDly()函數(shù)的同時(shí)，LED任務(wù)即被掛起，交出CPU的控制權(quán)，同時(shí)執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)來執(zhí)行。

舉上面這個(gè)例子是為了說明任務(wù)調(diào)度是在一定情況下發(fā)生的，因?yàn)槭菗屨际降?，為了讓低?yōu)先級(jí)的任務(wù)得到執(zhí)行，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須在適當(dāng)?shù)那闆r下交出CPU，如果在KEY_TASK任務(wù)中，在獲取按鍵信息后面調(diào)用OSTimeDly()函數(shù)，即可使LED閃燈任務(wù)得到執(zhí)行。

關(guān)于中斷

中斷在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，所以中斷程序的設(shè)計(jì)無疑是編程的要點(diǎn)及難點(diǎn)，在多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，不同的中斷任務(wù)被安排不同的優(yōu)先級(jí)，在允許中斷嵌套的情況下，最高優(yōu)先級(jí)的中斷總能得到及時(shí)響應(yīng)。中斷級(jí)的任務(wù)可以看成是比最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)還要高。在用戶中斷服務(wù)程序內(nèi)部，要盡可能的縮短代碼量，不要做耗時(shí)的操作，正確的做法是調(diào)用任務(wù)級(jí)任務(wù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

同樣，問題來了，在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)某個(gè)任務(wù)級(jí)任務(wù)就緒，是否立即進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，答案是否定的，因?yàn)槿蝿?wù)級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不夠，需等待中斷服務(wù)程序退出，那系統(tǒng)如何知道中斷服務(wù)程序是否結(jié)束了呢，這就需要的中斷程序內(nèi)部調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSIntExit();以此來觸發(fā)任務(wù)調(diào)度。

硬實(shí)時(shí)與軟實(shí)時(shí)

這里說一下硬實(shí)時(shí)與軟實(shí)時(shí)的區(qū)別，能夠在指定的期限完成實(shí)時(shí)任務(wù)(即便在最壞的處理負(fù)載下也能如此)的操作系統(tǒng)稱為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。但并不是任何情況下都需要硬實(shí)時(shí)支持。如果操作系統(tǒng)在平均情況下能支持任務(wù)的執(zhí)行期限，則稱它為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

RTOS的優(yōu)勢(shì)是硬實(shí)時(shí)控制，硬實(shí)時(shí)不是指“快”，而是指可精確預(yù)測(cè)可控制，能保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。因?yàn)閳?zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)，所以當(dāng)你想快時(shí)，只要選一個(gè)速度合適的CPU即可，這個(gè)需要的速度在μC/OS-II系統(tǒng)中是可以精確算出來的。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限是一個(gè)柔性靈活的，它可以容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤。失敗造成的后果并不嚴(yán)重。

舉個(gè)例子，汽車發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，汽車氣囊彈出必須在一定時(shí)間內(nèi)完成，晚一秒都會(huì)造成致命傷害(硬實(shí)時(shí))。而在圖像傳輸過程中，偶爾丟失1幀圖像數(shù)據(jù)是可以容忍的(軟實(shí)時(shí))。

任務(wù)同步與數(shù)據(jù)通信

毫無疑問，任務(wù)之間都不是相互割裂的，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)或者信息的交互，為此，μC/OS-II系統(tǒng)提供了用于任務(wù)間通信的手段。任務(wù)之間可以通過信號(hào)量，事件標(biāo)志組，消息郵箱，消息隊(duì)列進(jìn)行同步。而數(shù)據(jù)通信最簡(jiǎn)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(shù)據(jù)可靠性的問題，比如，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正在讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，還沒有讀完，這時(shí)一個(gè)中斷觸發(fā)高級(jí)別的任務(wù)運(yùn)行，高級(jí)別的任務(wù)要更新數(shù)據(jù)，這就會(huì)導(dǎo)致低級(jí)別任務(wù)讀出來的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。未解決此問題，可以采用關(guān)中斷、關(guān)調(diào)度、使用互斥信號(hào)量、使用計(jì)數(shù)信號(hào)量來解決，關(guān)中斷與關(guān)調(diào)度比較生硬，也違反了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)原則，因此推薦使用互斥信號(hào)量來解決，所謂互斥信號(hào)量，相當(dāng)于一個(gè)鑰匙，鑰匙只有一個(gè)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)要訪問該資源時(shí)，必須先取得該鑰匙。

時(shí)鐘節(jié)拍

μC/OS-II需要用戶提供一個(gè)周期性的中斷來實(shí)現(xiàn)延時(shí)和超時(shí)等操作，這個(gè)周期性的時(shí)鐘叫“時(shí)鐘節(jié)拍”，其頻率范圍通常在10~1000Hz之間。時(shí)鐘節(jié)拍的頻率大小取決于對(duì)定時(shí)精度的要求，頻率越高，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)越重。

問題：時(shí)鐘節(jié)拍是否是μC/OS-II中必不可少的?沒有時(shí)鐘節(jié)拍系統(tǒng)是否能夠工作?

答案是：沒有時(shí)鐘節(jié)拍，系統(tǒng)照樣可以工作，只是無法進(jìn)行延時(shí)或者超時(shí)判斷，無法調(diào)用延時(shí)函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，但是仍然有其它方法可以進(jìn)行任務(wù)切換。