嵌入式实时操作系统uC/OS-II及其应用

　摘 要: 本文通过对一种源码公开的嵌入式操作系统mC/OS-II的分析，以51系列单片机为例，阐述了在单片机中使用该嵌入式操作系统的优缺点。

　　早在上世纪六十年代，就已经有人开始研究和开发嵌入式操作系统。但直到最近，它才在国内被越来越多的提及。其在通信、电子、自动化等需要实时处理的领域所日益显现的重要性吸引了人们越来越多的注意力。针对国内大部分用户使用的51系列的8位处理器，我们可以选择mC/OS-II 。

　　mC/OS-II是由Labrosse先生编写的一个开放式的内核，它最主要的特点就是源码公开的自由软件。这一点对于用户来说可谓利弊各半; 好处在于，一方面它是免费的;另一方面用户可以根据自己的需要对它进行修改。坏处在于，它缺乏必要的支持。它没有功能强大的软件包，用户通常得自己编写驱动程序，特别当用户使用的是不太常用的单片机，还必须自己编写移植程序。

　　mC/OS-II特点

　　(1) mC/OS-II是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。通常我们都是在中断服务程序中使高优先级任务进入就绪态(例如发信号)，这样退出中断服务程序后，将进行任务切换，高优先级任务将被执行。但是因为我们无法确定发生中断时程序到底执行到了什么地方，我们也就无法判断要经过多长时间数据处理程序才会执行，中断响应时间无法确定，系统的实时性不强。如果使用mC/OS-II的话，我们只要把数据处理程序的优先级设定的高一些，并在中断服务程序中使它进入就绪态，中断结束后数据处理程序就会被立即执行。这样我们可以把中断响应时间限制在一定的范围内。对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少的。[!--empirenews.page--]

　　(2)mC/OS-II和我们所知道的Linux等分时操作系统不同，不支持时间片轮转法。它是一个基于优先级的实时操作系统。每一个任务的优先级必须不同 (分析它的源码会发现，mC/OS-II 把任务的优先级当作任务的标识来使用，如果优先级相同，任务将无法区分)。进入就绪态的优先级最高的任务首先得到CPU的使用权，只有等它交出CPU的使用权后，其他任务才可以被执行。所以它只能说是多任务，不能说是多进程，至少不是我们所熟悉的那种多进程。mC/OS-II的这种特性是好是坏，主要看从什么角度来判断。显而易见，如果只考虑实时性，当然比分时系统好，它可以保证重要任务总是优先占有CPU。但是在系统中，重要任务毕竟是有限的，这就使得划分其它任务的优先权变成了一个让人费神的问题。另外，有些任务交替执行反而对用户更有利。例如，用单片机控制两小块显示屏时，无论是编程者还是使用者肯定希望它们同时工作，而不是显示完一块显示屏的信息以后再显示另一块显示屏的信息。

　　(3) mC/OS-II对共享资源提供了保护机制。mC/OS-II是一个支持多任务的操作系统。我们可以把一个完整的程序划分成几个任务，不同的任务执行不同的功能。对于共享资源(比如串口)，mC/OS-II也提供了很好的解决办法，一般情况下使用的是信号量方法。我们创建一个信号量并对它进行初始化，当一个任务需要使用一个共享资源时，它必须先申请得到这个信号量。在这个过程中即使有优先权更高的任务进入了就绪态，因为无法得到信号量，也不能使用该资源。在mC/OS-II中称为优先级反转。简单的说，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。在上述情况下，在两个任务之间发生优先级反转是无法避免的。所以在使用mC/OS-II时，我们必须对所开发的系统了解清楚才能选择对于某种共享资源是否使用信号量。

　　mC/OS-II在单片机中的应用

　　(1) 在单片机系统中嵌入mC/OS-II将增强系统的可靠性，并使得调试程序变得简单起来。我们经常遇到编完程序时，在调试过程中要不是程序跑飞了，要不就是陷入死循环。如果在系统中嵌入mC/OS-II，我们可以把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立。然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出CPU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其它任务的运行。这样既提高了系统的可靠性，同时也使得调试程序变得容易。需要指出的是，这里所说的容易是建立在开发人员对mC/OS-II有所了解并有实际操作经验的基础上的。[!--empirenews.page--]

　　(2) 在单片机系统中嵌入mC/OS-II将增加系统的开销，这在许多书籍和资料中都提到过。现在我们所使用的51系列单片机，其片内都带有一定的RAM和ROM。对于一些简单的程序，如果采用传统的编程方法，已经不需要外扩存储器了。如果在其中嵌入mC/OS-II的话，在只需要使用任务调度、任务切换、信号量处理、延时或超时服务的情况下，也不需要外扩ROM了，但是外扩RAM 是必须的。由于UC/OS-II是可裁减的操作系统，其所需要的RAM大小就依赖于我们对操作系统一些功能的选择。嵌入mC/OS-II以后总的RAM需求可以由如下表达式得出：

　　RAM总需求=应用程序的RAM需求+内核数据区的RAM需求+(任务栈需求+最大中断嵌套栈需求)×任务数

　　所幸的是mC/OS-II可以对每个任务分别定义堆栈空间的大小，我们可根据任务的实际需求来进行栈空间的分配。但不管怎么说，在RAM容量有限的情况下，我们还是应该注意一下对大型数组、数据结构和函数的使用，别忘了，函数的形参也是要推入堆栈的。

　　(3) mC/OS-II的移植也是一件需要值得注意的工作。如果我们手中没有现成的移植实例的话，我们就必须自己来编写移植代码。虽然只需要改动两个文件，但仍需要对相应的微处理器比较熟悉才行。最好参照已有的移植实例。另外，即使我们有移植实例，在编程前最好也要阅读一下，因为里面牵扯到堆栈操作。我们在编写中断服务程序时，把寄存器推入堆栈的顺序必须与移植代码中的顺序相对应。

　　(4) 和其它一些著名的嵌入式操作系统不同，mC/OS-II在单片机系统中的启动过程比较简单。mC/OS-II的内核是和应用程序放在一起编译成一个文件的，我们只需要把这个文件转换成HEX格式，写入ROM中就可以了。上电后，它会像普通的单片机程序一样运行。

　　结语

　　从以上的分析中我们不难看出，是否在单片机系统中嵌入mC/OS-II取决于使用者所要开发的项目。对于实时性，可靠性要求较强的项目，特别是大型项目，最好使用mC/OS-II;而对于一些简单的，成本要求低的项目，就没必要这么麻烦。