嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS II的分析

　　引言

　　早在20世紀(jì)60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，在通信、電子、自動(dòng)化等需要實(shí)時(shí)處理的領(lǐng)域所曰益顯現(xiàn)的重要性吸引了人們?cè)絹?lái)越多的注意力。但是，人們所談?wù)摰耐且恍┲纳虡I(yè)內(nèi)核，諸如VxWorks、PSOS等。這些商業(yè)內(nèi)核性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，主要用于16位和32位處理器中，針對(duì)國(guó)內(nèi)大部分用戶使用的51系列8位單片機(jī)，可以選擇免費(fèi)的uCOS II。

　　uCOS II的特點(diǎn)

　　1．uCOS II是由Labrosse先生編寫的一個(gè)開(kāi)放式內(nèi)核，最主要的特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)。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。缺點(diǎn)在于它缺乏必要的支持，沒(méi)有功能強(qiáng)大的軟件包，用戶通常需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序，特別是如果用戶使用的是不太常用的單片機(jī)，還必須自己編寫移植程序。

　　2．uCOS 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。拿51單片機(jī)為例，比較一下就可以發(fā)現(xiàn)這樣做的好處。假如需要用中斷方式采集一批數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，在傳統(tǒng)的編程方法中不能在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，因?yàn)檫@會(huì)使得關(guān)中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。所以經(jīng)常采用的方法是置一標(biāo)志位，然后退出中斷。由于主程序是循環(huán)執(zhí)行的，所以它總有機(jī)會(huì)檢測(cè)到這一標(biāo)志并轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)處理程序中去。但是因?yàn)闊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，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，只要把數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級(jí)設(shè)定得高一些，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。但應(yīng)該指出的是如果數(shù)據(jù)處理程序簡(jiǎn)單，這樣做就未必合適。因?yàn)閡COS II要求在中斷服務(wù)程序末尾使用OSINTEXIT函數(shù)以判斷是否進(jìn)行任務(wù)切換，這需要花費(fèi)一定的時(shí)間。

　　3．uCOS II和大家所熟知的Linux等分時(shí)操作系統(tǒng)不同，它不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法。uCOS II是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，每個(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)，uCOS II把任務(wù)的優(yōu)先級(jí)當(dāng)做任務(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。顯而易見(jiàn)，如果只考慮實(shí)時(shí)性，它當(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，這就使得劃分其他任務(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。這時(shí)候，要是uCOS II即支持優(yōu)先級(jí)法又支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法就更合適了。

　　4．uCOS II對(duì)共享資源提供了保護(hù)機(jī)制。正如上文所提到的，uCOS II是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。一個(gè)完整的程序可以劃分成幾個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)執(zhí)行不同的功能。這樣，一個(gè)任務(wù)就相當(dāng)于模塊化設(shè)計(jì)中的一個(gè)子模塊。在任務(wù)中添加代碼時(shí)，只要不是共享資源就不必?fù)?dān)心互相之間有影響。而對(duì)于共享資源（比如串口），uCOS II也提供了很好的解決辦法。一般情況下使用的是信號(hào)量的方法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，先創(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，而一旦得到了此信號(hào)量，那就只有等使用完了該資源，信號(hào)量才會(huì)被釋放。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)法得到此信號(hào)量，也不能使用該資源。這個(gè)特點(diǎn)的好處顯而易見(jiàn)，例如當(dāng)顯示屏正在顯示信息的時(shí)候，外部產(chǎn)生了一個(gè)中斷，而在中斷服務(wù)程序中需要顯示屏顯示其他信息。這樣，退出中斷服務(wù)程序后，原有的信息就可能被破壞了。而在μC/OS-II中采用信號(hào)量的方法時(shí)，只有顯示屏把原有信息顯示完畢后才可以顯示新信息，從而可以避免這個(gè)現(xiàn)象。不過(guò)，采用這種方法是以犧牲系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性為代價(jià)的。如果顯示原有信息需要耗費(fèi)大量時(shí)間，系統(tǒng)只好等待。從結(jié)果上看，等于延長(zhǎng)了中斷響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于未顯示信息是報(bào)警信息的情況，無(wú)疑是致命的。發(fā)生這種情況，在μC/OS-II中稱為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，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uCOS II時(shí)，必須對(duì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)了解清楚，才能決定對(duì)于某種共享資源是否使用信號(hào)量。

　　uCOS II在單片機(jī)使用中的一些特點(diǎn)

　　1．在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入uCOS 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。以往傳統(tǒng)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工作中經(jīng)常遇到程序跑飛或是陷入死循環(huán)?？梢杂每撮T狗解決程序跑飛問(wèn)題，而對(duì)于后一種情況，尤其是其中牽扯到復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的話，只有設(shè)置斷點(diǎn)，耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)慢慢分析。如果在系統(tǒng)中嵌入 uCOS II的話，事情就簡(jiǎn)單多了?？梢园颜麄€(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)影響其他任務(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。

　　2．在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入uCOS II將增加系統(tǒng)的開(kāi)銷?，F(xiàn)在所使用的51單片機(jī)，一般是指87C51或者89C51，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uCOS 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uCOS II是可裁減的操作系統(tǒng)，其所需要的RAM大小就取決于操作系統(tǒng)功能的多少。舉例來(lái)說(shuō)，μC/OS-II允許用戶定義最大任務(wù)數(shù)。由于每建立一個(gè)任務(wù)，都要產(chǎn)生一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TCB，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要占用很大一部分內(nèi)存空間。所以在定義最大任務(wù)數(shù)時(shí)，一定要考慮實(shí)際情況的需要。如果定得過(guò)大，勢(shì)必會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。嵌入uCOS 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）·任務(wù)數(shù)

　　所幸的是，μC/OS-II可以對(duì)每個(gè)任務(wù)分別定義堆棧空間的大小，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)任務(wù)的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行?？臻g的分配。但在RAM容量有限的情況下，還是應(yīng)該注意一下對(duì)大型數(shù)組、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)的使用，別忘了，函數(shù)的形參也是要推入堆棧的。

　　3．uCOS II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果沒(méi)有現(xiàn)成的移植實(shí)例的話，就必須自己來(lái)編寫移植代碼。雖然只需要改動(dòng)兩個(gè)文件，但仍需要對(duì)相應(yīng)的微處理器比較熟悉才行，最好參照已有的移植實(shí)例。另外，即使有移植實(shí)例，在編程前最好也要閱讀一下，因?yàn)槔锩鏍砍兜蕉褩２僮鳌Ｔ诰帉懼袛喾?wù)程序時(shí)，把寄存器推入堆棧的順序必須與移植代碼中的順序相對(duì)應(yīng)。

　　4．和其他一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)不同，uCOS II在單片機(jī)系統(tǒng)中的啟動(dòng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，不像有些操作系統(tǒng)那樣，需要把內(nèi)核編譯成一個(gè)映像文件寫入ROM中，上電復(fù)位后，再?gòu)腞OM中把文件加載到RAM中去，然后再運(yùn)行應(yīng)用程序。uCOS II的內(nèi)核是和應(yīng)用程序放在一起編譯成一個(gè)文件的，使用者只需要把這個(gè)文件轉(zhuǎn)換成HEX格式，寫入ROM中就可以了，上電后，會(huì)像普通的單片機(jī)程序一樣運(yùn)行。

　　結(jié)語(yǔ)

　　由以上介紹可以看出，uCOS II具有免費(fèi)、使用簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但也有移植困難、缺乏必要的技術(shù)支持等缺點(diǎn)，尤其不像商用嵌入式系統(tǒng)那樣得到廣泛使用和持續(xù)的研究更新。但開(kāi)放性又使得開(kāi)發(fā)人員可以自行裁減和添加所需的功能，在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的作用。當(dāng)然，是否在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入uCOS II應(yīng)視所開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目而定，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的、低成本的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，就沒(méi)必要使用嵌入式操作系統(tǒng)了。