嵌入式系统基础教程第19讲第9章嵌入式操作系统.ppt
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1、嵌入式系统原理与开发,第19讲 南京大学计算机系 俞建新主讲,2008年12月15日,南京大学计算机系,2,第9章 嵌入式操作系统概论,本讲内容 实时系统 嵌入式操作系统的特点和分类 RTOS常用调度算法 启动程序bootloader 嵌入式操作系统C/OS-II,2008年12月15日,南京大学计算机系,3,9.5 嵌入式操作系统C/OS-II,C/OS-II的主要特点 C/OS-II的层次 C/OS-II的代码结构 C/OS-II的内核 C/OS-II的任务调度 C/OS-II的任务切换,C/OS-II的中断处理 C/OS-II的时间管理 C/OS-II的任务间通信 C/OS-II的存储管
2、理 C/OS-II的移植,2008年12月15日,南京大学计算机系,4,C/OS-II简介,作者:Jean Labrosse 源码公开的嵌入式实时系统 已被移植到40多种不同的CPU上 http:/www.C/OS-II.com提供技术服务支持。,2008年12月15日,南京大学计算机系,5,C/OS-II的主要特点,可移植性和可确定性 绝大部分代码用ANSI C编写 与处理器硬件相关的代码用汇编语言编写 移植条件 移植目标处理器要有硬件堆栈指针 CPU内容寄存器入栈、出栈指令 C编译器支持内嵌汇编或C可扩展,可连接汇编模块 关中断、开中断可在C语言中实现,2008年12月15日,南京大学计算
3、机系,6,C/OS-II的主要特点(续1),抢占式多任务 可以管理64个任务,8个任务是系统任务 用户可以最多定义56个任务,每个任务优先级不相同 实时性较强,参看下表,4种嵌入式操作系统的实时性能典型值,2008年12月15日,南京大学计算机系,7,C/OS-II的主要特点(续2),可固化可裁剪 实用程序可以只使用C/OS-II中需要的那些系统服务 任务由独立堆栈 C/OS-II允许每个任务由不同的栈空间 嵌套中断管理 嵌套层数可达255层,2008年12月15日,南京大学计算机系,8,C/OS-II的层次,C/OS-II嵌入式系统软件架构(见下页),是一个建立在硬件系统上的四层软件结构 最
4、上层是应用软件层 API层和支撑软件层 内核 设备驱动程序,2008年12月15日,南京大学计算机系,9,C/OS-II的层次示意图,基于C/OS-II的嵌入式系统软件层次示意图如右图所示,2008年12月15日,南京大学计算机系,10,C/OS-II的代码结构,基于C/OS-II平台的嵌入式系统体系结构如右下图所示 C/OS-II主要由三大类程序文件构成,A类:处理器无关 B类:应用程序有关 C类:硬件平台相关,2008年12月15日,南京大学计算机系,11,C/OS-II的代码结构(续),按功能分 核心模块、预处理模块、进程间通信模块、内存管理模块、任务与调度管理器模块、时间管理模块、移植
5、模块 C/OS-II的源代码文件组成 见教材第344页表9-5,2008年12月15日,南京大学计算机系,12,C/OS-II的代码结构(续),C/OS-II的任务代码有两种框架结构,如下列出:,void Usertask (void *pdata) for (;) 用户代码; OSMboxPend(); OSQPend(); OSSemPend(); OSTaskDel(OS_PRIO_SELF); OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); OSTimeDly(); OSTimeDlyHMSM(); 用户代码; ,void Usertask (void *pdata) 用户代
6、码; OSTaskDel(OS_PRIO_SELF); ,2008年12月15日,南京大学计算机系,13,C/OS-II的代码结构(续),对于执行无限循环的任务,通常采用第一种形式;对于只执行一次就自我删除的任务,采用第二种形式。 以下是推荐的C/OS-II应用程序任务的基本结构,void Usertask (void *pdata) INT8U ReturnNum; / 返回值 InitTimer(); /可选 for( ; ; ) /应用程序代码 OSTimeDly(n); /常用的语句 ,2008年12月15日,南京大学计算机系,14,C/OS-II的代码结构(续),C/OS-II的启动
7、过程 Bootloader执行完毕后,调用应用程序主文件(通常是main.c)里的main()函数。main()函数在执行过程中,除硬件初始化函数和用户函数外,按以下次序执行三个主要的C/OS-II函数:操作系统初始化OSInit();任务创建OSTaskCreate();任务调度开始OSStart() 一旦OSStart()函数开始执行,就标志着C/OS-II进入了多任务调度的正常运行状态,2008年12月15日,南京大学计算机系,15,C/OS-II的内核,C/OS-II内核只提供任务调度、任务间通信(ITC)与同步、任务管理、时间管理和内存管理等基本功能 可裁剪编译到8K左右,全部只有1
8、00K左右,消耗资源非常小 在小规模的代码内实现了抢占式任务调度、多任务通信功能,2008年12月15日,南京大学计算机系,16,C/OS-II的内核(续1),C/OS-II的临界区 C/OS-II调用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()两个宏来执行关中断和开中断 ,对于不同的体系结构,这两个宏定义不一样。 OS_CPU.H文件中含有OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()的定义,2008年12月15日,南京大学计算机系,17,C/OS-II的内核(续2),C/OS-II的任务状态 最大任务数64个,最高优先级为0,最
9、低优先级取值为实际定义的最大任务数减1. 任务建立之后,拥有优先级,执行函数,自用栈空间和 任务控制块(TCB),在运行时刻能够完全控制CPU的操作以及全部用户可访问寄存器的操作。,2008年12月15日,南京大学计算机系,18,C/OS-II的任务状态转换图,C/OS-II的每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态的某种状态下(任务状态变迁如右图所示),2008年12月15日,南京大学计算机系,19,C/OS-II的内核(续3),休眠态(dormant) 这种状态相当于该任务驻留在内存中,但还没有交给内核管理。把任务交给内核是通过调用任务创建函数实现
10、的 C/OS-II两个任务创建函数 OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt(),2008年12月15日,南京大学计算机系,20,C/OS-II的内核(续3),就绪态(ready) 在这种状态下意味着该任务已经准备好,且可运行,但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低,所以还暂时不能运行 C/OS-II就绪表为每一个优先级的任务提供了一个位元,登记该任务是否就绪,就绪时取值为1,没有就绪时取值为0 运行态 得到了CPU的控制权正在运行之中的任务状态,2008年12月15日,南京大学计算机系,21,C/OS-II的内核(续4),挂起态(pending)或者等待态(wai
11、ting) 正在运行的任务由于调用延时函数OSTimeDly(),或等待事件信号量而将自身挂起 被中断态(Interrupted) 发生中断时CPU提供相应的中断服务,原来正在运行的任务暂时停止运行,进入了被中断状态,2008年12月15日,南京大学计算机系,22,C/OS-II的内核(续5),任务控制块OS_TCB 内核对任务的管理通过任务控制块OS_TCB(Task Control Block)进行 。任务控制块是一个数据结构,在任务创建时内核会申请一个空白TCB,而后进行初始化,将创建的任务信息填入该TCB的各个字段。当任务的CPU使用权被剥夺时,C/OS-II用它来保存该任务的状态。当
12、任务重新得到CPU使用权时,任务控制块能确保任务从当时被中断处继续执行。OS_TCB全部驻留在RAM中,2008年12月15日,南京大学计算机系,23,C/OS-II的内核(续6),OS_TCB的字段说明 OS_TCB 数据结构中的OSTCBX,OSTCBY,OSTCBBitX,OSTCBBitY四个变量用于加速任务进入就绪态的过程或进入等待事件发生状态的过程 是根据任务的优先级OSTCBPrio计算得出,计算公式如下 OSTCBY = OSTCBPrio 3; OSTCBBitY = OSMapTblOSTCBY; OSTCBX = OSTCBPrio ,2008年12月15日,南京大学计算
13、机系,24,C/OS-II的任务调度,C/OS-II的就绪表 C/OS-II的就绪任务登记在就绪表中。就绪表由两个变量OSRdyGrp和OSRdyTbl构成 OSRdyGrp是一个单字节整数变量 OSRdyTblOS_LOWEST_PRIO/8+1是单字节整数数组,其元素个数定义为最低优先级除以8加1,最多可有8个元素(字节),2008年12月15日,南京大学计算机系,25,C/OS-II的任务调度(续1),位图形式的C/OS-II的任务就绪表和就绪实例,2008年12月15日,南京大学计算机系,26,C/OS-II的任务调度(续2),任务就绪表的操作 登记一个新就绪表操作的典型指令段 删除不
14、再处于就绪态任务的指令段 从就绪表中找到最高优先级的任务,2008年12月15日,南京大学计算机系,27,C/OS-II的任务调度(续3),C/OS-II的任务调度 C/OS-II总是运行处于就绪态任务中优先级最高的那一个 OSSched()函数是任务调度的前导函数,判断进行任务调度的三个条件是否满足。这三个条件分别是: 中断嵌套层数共享全程变量OSIntNesting=0 任务调度加锁层数共享全程变量OSLockNesting=0 就绪表中查找到的最高优先级任务的优先级比当前任务的优先级高,2008年12月15日,南京大学计算机系,28,C/OS-II的任务切换,也叫做上下文切换(Conte
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