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实时多任务操作系统(RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前,商品化的RTOS可支持从8BIT的8051到32BIT的PowerPC及DSP等几十个系列的嵌入式处理器。提供高质量源代码RTOS的著名公司主要集中在美国。 展开全文
实时多任务操作系统(RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前,商品化的RTOS可支持从8BIT的8051到32BIT的PowerPC及DSP等几十个系列的嵌入式处理器。提供高质量源代码RTOS的著名公司主要集中在美国。
信息
缩    写
RTOS
基本功能
任务管理、定时器管理等
开发出的程序
具有较高的可移植性
中文名
实时多任务操作系统
简    介
嵌入式应用软件的基础和开发平台
外文名
Real Time multi-tasking Operation System
实时多任务操作系统英文
(Real Time multi-tasking Operation System, RTOS)
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  • 从零开始学习UCOSII操作系统1--UCOSII的基础知识

    万次阅读 多人点赞 2018-03-31 08:34:57
    从零开始学习UCOSII操作系统1--UCOSII的基础知识前言:首先比较主流的操作系统有UCOSII、FREERTOS、LINUX等,UCOSII的资料相对比其余的两个操作系统的资料是多很多的。更重要的原因是自己本身还没有能力深入的研究...

    从零开始学习UCOSII操作系统1--UCOSII的基础知识


    前言:

    首先比较主流的操作系统有UCOSII、FREERTOS、LINUX等,UCOSII的资料相对比其余的两个操作系统的资料是多很多的。

    更重要的原因是自己本身还没有能力深入的研究Linux操作系统。本次学习UCOSII主要是学习内核的设计原理。

    此次专栏涉及到的API的使用是非常小的,仅仅作为本人学习的记录。后期也会对比UCOSIII说出实现的更多功能的代码。


    参考书籍:《嵌入式实时操作系统μCOS-II原理及应用》、《嵌入式实时操作系统uCOS-II 邵贝贝(第二版)》

    学习代码的出处:http://bbs.elecfans.com/jishu_345856_1_1.html


    1、操作系统的作用

    操作系统是计算机硬件系统与应用程序之间的接口,应用程序设计人员只是以操作系统层为基础使用计算机系统,所以程序设计人员

    看到和使用的只是一些由计算机操作系统所提供的函数API,至于操作系统的这些底层函数是怎么实现的,作为一个应用开发人员是不需要

    管的。


    2、嵌入式系统的特点:

    (1)专用性强:嵌入式系统通常是面向某个特定的应用的,所以嵌入式系统的硬件是特定用户群来设计的

    (2)可以裁剪:Linux系统有很多网络协议栈之类的,有些做个数码相框的,没有必要的话,那么直接把那段源码去掉也是可以的

    (3)实时性与可靠性:所谓的实时性不是指,你代码写的东西必须要马上执行,而是你写的代码可以

    在合适的时间中执行,因为操作系统有很多机制,比如资源的强占,优先级低的任务是不可能实现

    只要申请资源就马上得到的。



    3、裸机和操作系统最大的区别:

    裸机是在一个main函数中不断的执行,除了有中断才会跳转到别的相应的代码中执行的。不然运行的指针就会按照

    地址的不断的加4来执行。顺序的执行结构,就是你可以通过代码的找到相应的执行流程。


    操作系统之后,main函数,当通过函数堆栈切换的跳转到第一个任务之后,通过优先级的判断

    优先级高的任务可以得到优先的执行,就好像有多个main函数在一起执行的假象(并行)



    4、任务的C语言表示:

    任务是不需要返回的无类型函数。

    void  task1(void * param)
    {
    	for( ; ;)
            {
                                 //用户编写的代码
            }
    }

    当然有人就觉得奇怪了,为什么你在一个函数里面添加一个死循环,那么函数不会就在这个任务中不断的执行吗?

    当然这需要在里面添加中断的代码的,以便于它能跳转到其他的任务中执行,切换任务的时候,判断优先级进行任务之间的切换的工作。



    5、嵌入式实时操作系统的基本功能:

    (1)内存管理:

    内存管理主要是动态内存的管理,当应用程序需要使用内存的时候,可以利用操作系统所提供

    内存分配函数来获得足够的内存空间。

    动态内存就是指malloc、free函数的分配,就是从堆里面拿内存,因为我们本来嵌入式系统的内存分配就比较

    少,所以这里很关键。


    (2)多任务管理:

    裸机就是一个单任务的前后台的程序,就是一个任务加上中断的机器的实现方法。

    程序设计人员就可以按照多线程来设计自己的程序,程序的耦合性和单元测试方面就会比较的容易。

    关键就是程序的可复用性会更加的好。


    (3)外围资源管理:

    除了本身自己必须需要的东西,内存和CPU,还有很多输入型设备和输出型设备需要管理。

    由于资源是有限的,因此操作系统必须对这些资源进行合理的调度和管理,才能保证每个要使用

    资源的任务在运行时可以获得足够的资源。


    6、UCOS的代码结构:

    这个是UCOS的代码结构,首先我们认识一个东西,需要从它的整体分析一下,因为有一些东西

    我们是在UCOS中不需要深入理解的。

















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  • 从零开始学习UCOSII操作系统15--总结篇

    万次阅读 多人点赞 2018-04-06 11:17:12
    从零开始学习UCOSII操作系统15--总结篇 前言:在大学的时候,我们班级上面都有很多人觉得学习UCOSII(包括UCOSIII)是没什么厉害的,因为很多人都喜欢去学习Linux操作系统,但是,但是,真实的对整个UCOSII操作...
    
    

    从零开始学习UCOSII操作系统15--总结篇

    前言:在大学的时候,我们班级上面都有很多人觉得学习UCOSII(包括UCOSIII)是没什么厉害的,因为很多人都喜欢去学习Linux操作系统,但是,但是,真实的对整个UCOSII操作系统进行学习,我可以保证,如果你是基于源码级别的阅读的话,绝对是不简单的。仅仅是调用几个API的话,是永远用不好UCOSII的操作系统的。还有你真正学通了UCOSII操作系统的话,那么你对Linux操作系统的内核也不会有太大的难度。

    参考:嵌入式实时操作系统UCOSII原理与应用

    1、UCOSII操作系统是怎么管理任务的?

    用图是最能表现的:
    (1)任务控制块是来管理任务的。
    (2)其中UCOSII把所有的任务都是通过双向链表来连接到一起的,为什么?我难道不能使用数组来分配空间吗?

    关键原因:在整个操作系统中,因为我们不知道用户到底需要多少个任务,所以使用链表的话,在编译后才确认的话,数组的方式优秀很多。

    我个人认为这张图其实是有一些错误的:
    比如里面写了指向任务的指针,我觉得是应该放置在任务堆栈里面的,因为创建任务的时候,是将任务的函数名,传递给任务堆栈,然后任务堆栈再传到CPU的SR寄存器中,实现任务切换的。

    所谓的指向任务的指针:其实就是任务的函数的函数名。

    2、UCOSII操作系统是怎么运行的?

    (1)睡眠态:首先我们的任务是按需分配的,你想要多少个任务的话,那么我们就可以创建多少个任务。刚刚创建的任务是处于睡眠的状态的。

    (2)就绪状态:如果系统为任务配备了任务控制块并且在任务的就绪表中进行了就绪登记的话,则任务就具备了运行的充分条件,这时候任务的状态就叫做就绪态。

    (3)运行状态:处于就绪状态的任务如果经过UCOSII的位图机制,判断为处于最高优先级的任务的话,那么它就可以获得CPU的使用权,这时候就是运行状态。

    (4)中断服务状态:这个真的就没有什么好说的了,连前后台系统都会存在的状态,触发到中断的条件,就会进入中断态,而且不管你是否处于运行态还是怎么样?

    以上的4个状态是我认为UCOSII操作系统中必不可少的状态的。

    (5)等待状态:这个状态的话,是可以通过裁剪UCOSII内核去掉的,其实这个状态就是为了满足任务之间的通讯和任务与中断服务子程序通信产生的一种状态。

    3、UCOSII操作系统任务之间是通过什么进行通信的?

    总所周知,UCOSII的任务是一个特殊的函数,没有类型,没有返回值。
    里面是一个死循环。

    那么为什么它能够跳出来执行别的任务?
    它之所以能够跳出来跟别的任务进行通信的话,在下面的用户需要添加的代码中一定是有一个任务切换的函数调用的。实质上是CPU的SR寄存器中的任务堆栈的切换的过程。

    那么它怎么跟别的任务进行通信?
    常考题:Linux的进程间通信的方式:
    信号量(互斥型信号量)、消息队列、共享内存、消息邮箱、事件标志组

    其中UCOSII任务之间进行通信的方式除了共享内存,其余都存在。

    其中有好几个是类型的:
    比如信号量和互斥型信号量。使用这个是可以占用资源,或者同步任务的运行。

    比如消息邮箱和消息队列,消息队列也称为多个消息邮箱,都是用来在任务之间传递数据的。

    事件标记组:首先请求事件标记组的时候,通过一个整型数的某几个位,如果那几个位都已经置位或者都是为空的话,那么请求事件标记组的任务可以得到运行。

    为什么需要互斥型信号量?
    因为会产生任务优先级的反转问题?

    什么是优先级反转?高优先级任务被低优先级任务剥脱CPU的使用权。
    (1)假设现在有一个低的优先级任务占有CPU的内核,同时他占有了一些资源。
    (2)此时,来了一个高优先级的任务,它想要得到这个资源,但是这个资源已经被低优先级的任务占有了。
    (3)在后来来了一个中等优先级的任务,它因为优先级比低优先级的任务高,但是它的优先级没有高的优先级高,所以它强占CPU的使用权,继续执行。
    (4)这时候,形成的情况就是中等优先级的任务比高优先级的任务更加早的执行,形成优先级反转的问题。

    解决方案1:
    如果低优先级任务占有的那个资源后,后面有更高的优先级任务到来的话,那么就把自己的优先级提高到那个想要占有优先级的任务。

    解决方案2:
    使用互斥型信号量。因为互斥型信号量,只有你自己请求,自己释放,不能通过别的任务释放,如果你请求一个已经请求过的互斥性信号量的话,那么直接跳过执行。

    void task1(void * pada)
    {
        for(;;)
        {
            //用户需要添加的代码
        }
    }
    

    4、UCOSII操作系统的内存管理

    参考:https://www.cnblogs.com/apollius/archive/2013/03/26/2981429.html
    UCOSII中动态内存管理的C语言实现:

    嵌入式编程比较关心的就是内存大小,在有限的内存中实现动态和静态的代码分配是有学问的,对于像malloc这类在运行的时候从堆中请求内存的函数,诺调用次数太多可能会造成内存的快速消息。

    将所有已经分配好的空间计算好,利用全局变量分配到静态的代码空间中。
    实际使用时调用自己编写好的内存管理函数从这块静态空间中申请内存。

    内存的总体大小是受控的,所有涉及到动态内存的地方实际上都已经被预先分配好,在编译时候写在静态代码区。

    INT8U Buff8U [40][32];
    INT16U Buff16U[40][32];

    每个内存管理块中记录了对应存储的数据地址(EntryAddr),当前可用的数组的地址(FreeAddr),当内存进行分配时候,这一位会进行偏移操作,指向还没有被分配的存储数组。而这些管理块也需要一个总的数组来存储其位置,否则这些指针也是无法初始化的指针。并且新建一个指针(*MMUFREE)指向当前还未被分配,可以用的管理块数组中位置。

    MMUType     MMUPool[MMU_BUFF_MAX];  //Store all the MMUs
    MMUType    *MMUFree;                //Pointer to the available MMUType in MMUPool
    
    MMUType    *MMUBuff8;            //Controller of Buff8U
    MMUType    *MMUBuff16;           //Controller of Buff16U
    

    可以看出核心思想是,所有需要实际存储的指针都由数组来保存,所有指针最终指向一个实际的变量,诺要使用这种内存管理,第一步要做的就是初始化MMUPOOL初始化内存池。调用MEMInit()之后将内部所有的成员形成一个链表,由MMUFree指向最开头的一个。

    这样一来就可以为内存管理块分配一个实际的对象了,调用MemCreate()可以分配一个实际的对象给内存管理块,并且将内存管理与实际的内存存储去联系在一起。

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  • μCOS(ucos)-III 系统思维导图

    热门讨论 2020-07-29 14:20:44
    uCOS-III系统整体的思维导图,从真正的“宏观”上俯视整个系统,让初学者对整个系统的流程了如指掌。
  • uCOS-II 基础入门教程(一)

    千次阅读 2019-01-01 17:13:52
    最近一起分享下uCOS-II学习教程,包括uCOS-II一些专有名词,任务,优先级等。 Start: uCOS-II概念 μC/OS-II由Micrium公司提供,是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核,它适用于多种微处理器...

    最近一起分享下uCOS-II学习教程,包括uCOS-II一些专有名词,任务,优先级等。

    Start:

    uCOS-II概念

    μC/OS-II由Micrium公司提供,是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核,它适用于多种微处理器微控制器和数字处理芯片(已经移植到超过100种以上的微处理器应用中)

    实时系统概念

    实时系统的特点是,如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果的系统。有两种类型的实时系统:软实时系统和硬实时系统

    软实时系统中系统的宗旨是使各个任务运行得越快越好,并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。

    硬实时系统中,各任务不仅要执行无误而且要做到准时。大多数实时系统是二者的结合。

     

     前后台系统   (Foreground/Background System)

    不复杂的小系统一般设计成如图2.1所示的样子。这种系统可称为前后台系统或超循环系统(Super-Loops)。应用程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函数完成相应的操作,这部分可以看成后台行为(background)。中断服务程序处理异步事件,这部分可以看成前台行为(foreground)。后台也可以叫做任务级。前台也叫中断级。

    时间相关性很强的关键操作(Critical operation)一定是靠中断服务来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能得到处理,这种系统在处理信息的及时性上,比实际可以做到的要差。这个指标称作任务级响应时间。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。因为循环的执行时间不是常数,程序经过某一特定部分的准确时间也是不能确定的。进而,如果程序修改了,循环的时序也会受到影响。

     

     

    代码的临界段

    代码的临界段也称为临界区,指处理时不可分割的代码。一旦这部分代码开始执行,则不允许任何中断打入。为确保临界段代码的执行,在进入临界段之前要关中断,而临界段代码执行完以后要立即开中断

    资源

    任何为任务所占用的实体都可称为资源。资源可以是输入输出设备,例如显示器,资源也可以是一个变量,一个结构或一个数组等。

     共享资源

    可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据被破坏,每个任务在与共享资源打交道时,必须独占该资源。这叫做互斥(mutual exclusion)。

     多任务

    多任务运行的实现实际上是靠CPU(中央处理单元)在许多任务之间转换、调度。CPU只有一个,轮番服务于一系列任务中的某一个。多任务运行很像前后台系统,但后台任务有多个。多任务运行使CPU的利用率得到最大的发挥,并使应用程序模块化。

     任务

    一个任务,也称作一个线程,是一个简单的程序,该程序可以认为CPU完全只属该程序自己。实时应用程序的设计过程,包括如何把问题分割成多个任务,每个任务都是整个应用的某一部分,每个任务被赋予一定的优先级,有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间。

     

           典型地、每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在以下5种状态之一的状态下,这5种状态是休眠态,就绪态、运行态、挂起态(等待某一事件发生)和被中断态                

    休眠态相当于该任务驻留在内存中,但并不被多任务内核所调度。

    就绪意味着该任务已经准备好,可以运行了,但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低,还暂时不能运行。

    运行态的任务是指该任务掌握了CPU的控制权,正在运行中

    挂起状态也可以叫做等待事件态WAITING,指该任务在等待,等待某一事件的发生,(例如等待某外设的I/O操作,等待某共享资源由暂不能使用变成能使用状态,等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来以结束目前的等待,等等)。

    最后,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不能运行,就进入了被中断状态。图2.3表示μC/OS-Ⅱ中一些函数提供的服务,这些函数使任务从一种状态变到另一种状态。

     

    任务切换(Context Switch or Task Switch)

    当多任务内核决定运行另外的任务时,它保存正在运行任务的当前状态(Context),即CPU寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状况保存区(Task’s Context Storage area),也就是任务自己的栈区之中。入栈工作完成以后,就是把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入CPU的寄存器,并开始下一个任务的运行。这个过程叫做任务切换。任务切换过程增加了应用程序的额外负荷。CPU的内部寄存器越多,额外负荷就越重。做任务切换所需要的时间取决于CPU有多少寄存器要入栈。实时内核的性能不应该以每秒钟能做多少次任务切换来评价。

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  • uCos见面还是大学的时候,老师让我为毕业设计选一个课题,要求有关嵌入式实时操作系统,于是开始在网上搜索,顺理成章的就发现了uCos,于是开始了uCos之路,但后来由于硬件平台的问题,毕设没有用uCos,而用了另外...

    与uCos见面还是大学的时候,老师让我为毕业设计选一个课题,要求有关嵌入式实时操作系统,于是开始在网上搜索,顺理成章的就发现了uCos,于是开始了uCos之路,但后来由于硬件平台的问题,毕设没有用uCos,而用了另外一个不开源的。

     

    毕业后,自己做的项目用到过RTX51,uCos,Linux,当做linux下的项目时,研究过一阵子linux的源码,后来又一天,闲来无事再去看uCos的源码时,突然发现uCos里的一些原理,对于理解和构建一个操作系统这这么的经典和透彻!


    今天就给大家来整理一下uCos里的一些原理,相信对于更透彻的理解RTOS定会有好处,如果你确实没什么收获,就当是打发时间吧!

    首先,第一个要解决的问题是,为什么我们需要uCos?就像最开始学C编程时,老师告诉我们,指针很重要,那时你肯定有一个大的疑问,指针到底有什么好?心里一直犯嘀咕着:不用指针不一样把程序编出来了?  现在想想看c语言没了指针,是不是寸步难行呢。回到正题,我们到底为什么需要uCos?

     

    一般的简单的嵌入式设备的编程思路是下面这样的:

    main

    {

        {处理事务1};

        {处理事务2};

        {处理事务3};

            .......

        {处理事务N};

    }

    isr_server

    {

        {处理中断};

    }


    这是最一般的思路,对于简单的系统当然是够用了,但这样的系统实时性是很差的,比如“事务1”如果是一个用户输入的检测,当用户输入时,如果程序正在处理事务1下面的那些事务,那么这次用户输入将失效,用户的体验是“这个按键不灵敏,这个机器很慢”,而我们如果把事务放到中断里去处理,虽然改善了实时性但会导致另外一个问题,有可能会引发中断丢失,这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣!又比如事务2是一个只需要1s钟处理一次的任务,那么显然事务2会白白浪费CPU的时间。

          

    这时,我们可能需要改进我们的编程思路,一般我们会尝试采用“时间片”的方式。这时候编程会变成下面的方式:

    main

    {

          {事务1的时间片到了则处理事务1};

          {事务2的时间片到了则处理事务2};

                   .......

          {事务N的时间片到了则处理事务N};

    }

    time_isr_server

    {

           {判断每个事务的时间片是否到来,并进行标记};

    }

    isr_server

    {

          {处理中断};

    }


    我们可以看到,这种改进后的思路,使得事务的执行时间得到控制,事务只在自己的时间片到来后,才会去执行,但我们发现,这种方式仍然不能彻底解决“实时性”的问题,因为某个事务的时间片到来后,也不能立即就执行,她必须等到当前事务的时间片用完,并且后面的事务时间片没到来,她才有机会获得“执行时间”。

            

    这时候我们需要继续改进思路,为了使得某个事务的时间片到来后能立即执行,我们需要在时钟中断里判断完时间片后,改变程序的返回位置,让程序不返回到刚刚被打断的位置,而从最新获得了时间片的事务处开始执行,这样就彻底解决了事务的实时问题。

           

    我们在这个思路上,进行改进,我们需要在每次进入时钟中断前,保存CPU的当前状态和当前事务用到的一些数据,然后我们进入时钟中断进行时间片处理,若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了,则我们改变中断的返回的地址,并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场,然后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

          

    上面的这段话有些不好读,事实上,这是因为要实现这个过程是有些复杂和麻烦的,这时候我们就需要找一个操作系统(OS)帮我们做这些事了,如果你能自己用代码实现这个过程,事实上你就在自己写操作系统了,其实从这里也可也看出,操作系统的原理其实并不那么神秘,只是一些细节你很难做好。uCos就是这样一个操作系统,她能帮你完成这些事情,而且是很优雅的帮你完成!

          

    到这里,我们终于知道了为什么我们需要uCos了。事实上,uCos的用处远不止帮你完成这个“事务时间片的处理”,她还能帮你处理各种超时,进行内存管理,完成任务间的通信等,有了她,程序的层次也更加清晰,给系统添加功能也更方便,这一切在大型项目中越发的明显!

         

    我们知道了uCos能给我们提供这么多的便利,那么我们就开始使用uCos吧!


    转载自:微信公众号 嵌入式ARM



    请继续收看下篇:uCos的多任务实现   |   uCos的内存管理
    展开全文
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    万次阅读 2019-02-05 18:06:26
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  • UCOSIII】UCOSIII的互斥信号量

    千次阅读 2019-02-05 17:57:45
    信号量用于控制对共享资源的保护,但是现在基本用来做任务同步用(不太清楚的可以参考链接:【UCOSIII】UCOSIII的信号量)。   优先级反转 优先级反转在可剥夺内核中是非常常见的,在实时系统中不允许出现这种...
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