uC/OS-II内核架构解析---uC/OS-II系统核心

1. uC/OS-II任务调度

(1) uC/OS-II调度算法

      uC/OS-II采用基于优先级的调度算法，总是选择当前处于就绪状态的优先级最高的任务进行调度。uC/OS-II是可抢占性的强实时性OS，在完成中断后允许进行新的任务调度。

      uC/OS-II有两种调度方式：任务级任务调度、中断级任务调度。

(2) 任务就绪表

      INT8U const OSUnMapTbl[256] = {…};

      OS_EXT INT8U OSRdyGrp;

      OS_EXT INT8U OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];

• 添加就绪任务至就绪表；
• 从就绪表删除就绪任务；
• 查找最高优先级就绪任务OS_SchedNew()；

(3) 任务级任务调度

      指在非中断返回时进行任务调度，一般发生在当前任务因时间延迟或等待某事件而阻塞或被挂起，或有更高优先级的任务处于就绪状态。

      任务的基本信息：

• CPU的PC寄存器：任务当前执行的位置；
• CPU的通用寄存器：任务当前执行涉及的临时数据；
• CPU的状态寄存器：存储当前CPU的状态。

      任务级任务切换：从一个任务直接切换至另一个任务，不涉及CPU状态的切换，OS_TASK_SW()既保存当前任务上下文，又恢复新任务上下文。

      过程：OS_Sched() -> OS_SchedNew() -> OS_TASK_SW()

 

 

(4) 中断级任务调度 

 

 

     

      中断级任务切换：在中断处理完成后，通过OSIntExit()判断是否有更高优先级就绪任务。如果有，调用OSIntCtxSW()恢复新任务上下文。注意：在中断处理中，已经保存了被中断任务的上下文，所以这里仅仅恢复。

      过程：OSIntExt() –> OSIntEnter() -> ISR –> OSIntExit() -> OSIntCtxSW()

(5) 调度器上锁与解锁

      uC/OS-II提供调度器锁定功能，在锁定期间不能进行任务调度。uC/OS-II使用全局变量OSLockNesting标识是否锁定了任务调度器。

• OS_EXT INT8U OSLockNesting;
• void OSSchedLock(void);
• void OSSchedUnlock(void);

(6) 中断管理函数

      在中断处理中，不允许进行任务管理、事件管理及任务调度等操作。uC/OS-II通过全局变量OSIntNesting标识当前是否处于中断状态。在所有任务及事件管理的程序中，都有对OSIntNesting进行判断的语句。

• void OSIntEnter(void);
• void OSIntExit(void);

 

(7) 中断相关问题

• OS_ENTER_CRITICAL()
• OS_EXIT_CRITICAL()

    关中断使得uC/OS-II能够同时避免有其他任务或中断服务进入临界代码段。调用uC/OS-II功能函数时，中断总应当是开着的。

• uC/OS-II如何禁止调度？
• 在中断中允许调度吗？为什么？
• uC/OS-II如何屏蔽中断？

2. uC/OS-II系统启动

      uC/OS-II首先调用OSInit()进行初始化，然后创建任务（此时还未启动系统，仅仅为其分配资源），然后调用OSStart()启动系统，将CPU控制权交给uC/OS-II，OS根据任务优先级选择由哪个任务开始执行，或创建新的任务。

(1) 初始化函数OSInit()

      OSInit()主要完成初始化操作，包括初始化全局变量（在OS_InitMisc()中）、任务就绪表、TCB、ECB、FCB、内存单元、消息队列，并创建空闲任务。如果有必要，创建统计任务。

• OS_InitMisc();                  //初始化部分全局变量
• OS_InitRdyList();             //初始化任务就绪表
• OS_InitTCBList();            //初始化空闲TCB链表
• OS_InitEventList();          //初始化ECB链表
• OS_FlagInit();                  //初始化事件组标志结构
• OS_MemInit();                 //初始化内存管理
• OS_QInit();                      //初始化消息队列
• OS_InitTaskIdle();            //创建空闲任务
• OS_InitTaskStat();            //创建统计任务

 

 

      uC/OS-II初始化了5个空的数据结构缓冲区，每个缓冲区都是单向链表，允许uC/OS-II从缓冲区中迅速取得或释放一个缓冲区中的元素。 

 

     uC/OS-II调用OSInit()后的变量与数据结构如下图所示：

 

(2) 启动函数OSStart()

      OSStart()在一切准备就绪且需要首先创建的任务都被创建后，启动uC/OS-II。它从就绪表中查找最高优先级就绪任务，并恢复其上下文开始执行。

      过程：OSStart() -> OS_SchedNew() -> OSStartHighRdy()

      问题：任务第一次被调用时，哪来的上下文供其恢复呢？创建任务时，调用了OSTaskStkInit()初始化任务堆栈，可此函数中没有涉及任务的上下文呀？

      uC/OS-II调用OSStart()后的变量和数据结构如下图所示：

(3) 统计任务OSTaskStat

      OSTaskStat用于计算CPU利用率。设置OS_CFG.H中的OS_TASK_STAT_EN为1，创建统计任务，在系统启动后一直处于就绪状 态。刚开始时，空闲任务运行1S，为计算CPU利用率提供一个基准值，并保存在统计任务的堆栈中，这个值不会改变除非重新启动CPU。此后空闲任每次被其 它任务抢去CPU时，它里面的计数器就会直接记录下CPU空闲的时间。

3. uC/OS-II系统时钟

      任何实时系统的时钟硬件设备每隔一段时间（一个系统tick）产生一个硬件中断，OS接收到该中断后，更新时间计数器，更新所有对时钟依赖的程序代码，从而维持系统有序稳定的运行。

      主要包含在C源文件OS_TIME.C中。

• #define OS_TICKS_PER_SEC 100     //系统时钟中断间隔
• OS_EXT volatile INT32U OSTime;      //系统运行的时间值

  

• void OSTimeTick(void);                         //时钟中断服务程序
• void OSTimeDly(INT16U ticks);           //延迟指定时钟节拍
• INT8U OSTimeDlyHMSM(…);             //延迟指定时间长度
• INT8U OSTimeDlyResume(prio);  //恢复等待（时延/阻塞）任务
• INT32U OSTimeGet(void);                   //读取当前时间
• void OSTimeSet(INT32U ticks);            //设置当前时间

4. uC/OS-II事件管理

(1)   事件控制块

• INT8U OSEventType;                           //事件类型
• void *OSEventPtr;                                //指向MBox或Queue
• INT16U OSEventCnt;                           //信号量计数器（注：Mutex）
• INT8U OSEventGrp;                            //事件等待组标志
• INT8U OSEventTbl[];                          //时间任务等待表
• INT8U OSEventName[];                      //时间名称

（2） ECB管理机制

• OS_EXT OS_EVENT *OSEventFreeList;   //空闲ECB链表指针
• OS_EXT OS_EVENT OSEventTbl[]；       //ECB结构体数组

（3） ECB管理函数

• OS_InitEventList()：初始化ECB；
• OS_EventWaitListInit()：在创建事件时调用，初始化ECB任务等待表；
• OS_EventTaskRdy()：在事件发生时调用，修改此事件中最高优先级任务的TCB成员变量，在任务就绪表中添加此任务，将相应信息传递给该任务TCB，并将此任务从事件的任务等代表中删除；
• OS_EventTaskWait()：在申请资源失败而暂停当前任务时被调用，将任务从任务就绪表中删除，并添加到事件的任务等代表中；
• OS_EventTO()：在事件等待超时时调用，将此任务从事件的任务等代表中删除，并修改该任务的TCB成员变量；

  1. uC/OS-II任务调度

  (1) uC/OS-II调度算法

        uC/OS-II采用基于优先级的调度算法，总是选择当前处于就绪状态的优先级最高的任务进行调度。uC/OS-II是可抢占性的强实时性OS，在完成中断后允许进行新的任务调度。

        uC/OS-II有两种调度方式：任务级任务调度、中断级任务调度。

  (2) 任务就绪表

        INT8U const OSUnMapTbl[256] = {…};

        OS_EXT INT8U OSRdyGrp;

        OS_EXT INT8U OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];

  • 添加就绪任务至就绪表；
  • 从就绪表删除就绪任务；
  • 查找最高优先级就绪任务OS_SchedNew()；

  (3) 任务级任务调度

        指在非中断返回时进行任务调度，一般发生在当前任务因时间延迟或等待某事件而阻塞或被挂起，或有更高优先级的任务处于就绪状态。

        任务的基本信息：

  • CPU的PC寄存器：任务当前执行的位置；
  • CPU的通用寄存器：任务当前执行涉及的临时数据；
  • CPU的状态寄存器：存储当前CPU的状态。

        任务级任务切换：从一个任务直接切换至另一个任务，不涉及CPU状态的切换，OS_TASK_SW()既保存当前任务上下文，又恢复新任务上下文。

        过程：OS_Sched() -> OS_SchedNew() -> OS_TASK_SW()

   

  

   

  (4) 中断级任务调度 

  

   

  

   

  

       

        中断级任务切换：在中断处理完成后，通过OSIntExit()判断是否有更高优先级就绪任务。如果有，调用OSIntCtxSW()恢复新任务上下文。注意：在中断处理中，已经保存了被中断任务的上下文，所以这里仅仅恢复。

        过程：OSIntExt() –> OSIntEnter() -> ISR –> OSIntExit() -> OSIntCtxSW()

  (5) 调度器上锁与解锁

        uC/OS-II提供调度器锁定功能，在锁定期间不能进行任务调度。uC/OS-II使用全局变量OSLockNesting标识是否锁定了任务调度器。

  • OS_EXT INT8U OSLockNesting;
  • void OSSchedLock(void);
  • void OSSchedUnlock(void);

  (6) 中断管理函数

        在中断处理中，不允许进行任务管理、事件管理及任务调度等操作。uC/OS-II通过全局变量OSIntNesting标识当前是否处于中断状态。在所有任务及事件管理的程序中，都有对OSIntNesting进行判断的语句。

  • void OSIntEnter(void);
  • void OSIntExit(void);

   

  (7) 中断相关问题

  • OS_ENTER_CRITICAL()
  • OS_EXIT_CRITICAL()

      关中断使得uC/OS-II能够同时避免有其他任务或中断服务进入临界代码段。调用uC/OS-II功能函数时，中断总应当是开着的。

  • uC/OS-II如何禁止调度？
  • 在中断中允许调度吗？为什么？
  • uC/OS-II如何屏蔽中断？

  2. uC/OS-II系统启动

        uC/OS-II首先调用OSInit()进行初始化，然后创建任务（此时还未启动系统，仅仅为其分配资源），然后调用OSStart()启动系统，将CPU控制权交给uC/OS-II，OS根据任务优先级选择由哪个任务开始执行，或创建新的任务。

  (1) 初始化函数OSInit()

        OSInit()主要完成初始化操作，包括初始化全局变量（在OS_InitMisc()中）、任务就绪表、TCB、ECB、FCB、内存单元、消息队列，并创建空闲任务。如果有必要，创建统计任务。

  • OS_InitMisc();                  //初始化部分全局变量
  • OS_InitRdyList();             //初始化任务就绪表
  • OS_InitTCBList();            //初始化空闲TCB链表
  • OS_InitEventList();          //初始化ECB链表
  • OS_FlagInit();                  //初始化事件组标志结构
  • OS_MemInit();                 //初始化内存管理
  • OS_QInit();                      //初始化消息队列
  • OS_InitTaskIdle();            //创建空闲任务
  • OS_InitTaskStat();            //创建统计任务

   

   

        uC/OS-II初始化了5个空的数据结构缓冲区，每个缓冲区都是单向链表，允许uC/OS-II从缓冲区中迅速取得或释放一个缓冲区中的元素。 

   

       uC/OS-II调用OSInit()后的变量与数据结构如下图所示：

   

  

  (2) 启动函数OSStart()

        OSStart()在一切准备就绪且需要首先创建的任务都被创建后，启动uC/OS-II。它从就绪表中查找最高优先级就绪任务，并恢复其上下文开始执行。

        过程：OSStart() -> OS_SchedNew() -> OSStartHighRdy()

        问题：任务第一次被调用时，哪来的上下文供其恢复呢？创建任务时，调用了OSTaskStkInit()初始化任务堆栈，可此函数中没有涉及任务的上下文呀？

        uC/OS-II调用OSStart()后的变量和数据结构如下图所示：

  

  (3) 统计任务OSTaskStat

        OSTaskStat用于计算CPU利用率。设置OS_CFG.H中的OS_TASK_STAT_EN为1，创建统计任务，在系统启动后一直处于就绪状 态。刚开始时，空闲任务运行1S，为计算CPU利用率提供一个基准值，并保存在统计任务的堆栈中，这个值不会改变除非重新启动CPU。此后空闲任每次被其 它任务抢去CPU时，它里面的计数器就会直接记录下CPU空闲的时间。

  3. uC/OS-II系统时钟

        任何实时系统的时钟硬件设备每隔一段时间（一个系统tick）产生一个硬件中断，OS接收到该中断后，更新时间计数器，更新所有对时钟依赖的程序代码，从而维持系统有序稳定的运行。

        主要包含在C源文件OS_TIME.C中。

  • #define OS_TICKS_PER_SEC 100     //系统时钟中断间隔
  • OS_EXT volatile INT32U OSTime;      //系统运行的时间值

    

  • void OSTimeTick(void);                         //时钟中断服务程序
  • void OSTimeDly(INT16U ticks);           //延迟指定时钟节拍
  • INT8U OSTimeDlyHMSM(…);             //延迟指定时间长度
  • INT8U OSTimeDlyResume(prio);  //恢复等待（时延/阻塞）任务
  • INT32U OSTimeGet(void);                   //读取当前时间
  • void OSTimeSet(INT32U ticks);            //设置当前时间

  4. uC/OS-II事件管理

  (1)   事件控制块

  • INT8U OSEventType;                           //事件类型
  • void *OSEventPtr;                                //指向MBox或Queue
  • INT16U OSEventCnt;                           //信号量计数器（注：Mutex）
  • INT8U OSEventGrp;                            //事件等待组标志
  • INT8U OSEventTbl[];                          //时间任务等待表
  • INT8U OSEventName[];                      //时间名称

  （2） ECB管理机制

  • OS_EXT OS_EVENT *OSEventFreeList;   //空闲ECB链表指针
  • OS_EXT OS_EVENT OSEventTbl[]；       //ECB结构体数组

  （3） ECB管理函数

  • OS_InitEventList()：初始化ECB；
  • OS_EventWaitListInit()：在创建事件时调用，初始化ECB任务等待表；
  • OS_EventTaskRdy()：在事件发生时调用，修改此事件中最高优先级任务的TCB成员变量，在任务就绪表中添加此任务，将相应信息传递给该任务TCB，并将此任务从事件的任务等代表中删除；
  • OS_EventTaskWait()：在申请资源失败而暂停当前任务时被调用，将任务从任务就绪表中删除，并添加到事件的任务等代表中；
  • OS_EventTO()：在事件等待超时时调用，将此任务从事件的任务等代表中删除，并修改该任务的TCB成员变量；