最新嵌入式实时操作系统μCOS原理与实践PPT课件.ppt

进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，圆，轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅长的时间隧道，袅嵌入式实时操作系统COS原理与实践作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.专业说明考虑到各专业读者学习方向不同，有些已经学习过操作系统原理，对一般的操作系统原理有一定的认识，有些电子专业的读者并没有深入学习过操作系统原理，另外有些读者对C语言掌握的程度并不太高，因此本书采用由浅入深，层层推进的方在第一章给出实时操作系统的基础，为以后各章的学习打下基础，满足未学习过操作系统的读者，而学习过操作系统的读者也要掌握本章的内容，因为嵌入式实时操作系统有其个性。代码的讲解上在第2章任务管理的部分尽量详尽，从第3章中断和时间管理开始，因为读者已经具备了或提高了C语言的能力，对读者已经掌握的内容就不赘述，但对新的难点仍给以详尽解析 作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 三三.C/OS.C/OS适用于嵌入式开发，并已在各领域得到广泛适用于嵌入式开发，并已在各领域得到广泛的应用并获得认可。在百度上搜索的应用并获得认可。在百度上搜索ucos,ucos,得到的信息条得到的信息条数约数约1,250,0001,250,000条。条。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 实时操作系统基础实时操作系统基础1.1 操作系统概述1.2 实时操作系统概述1.3任务1.4基于优先级的不可剥夺内核1.5同步与通信 作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.1 操作系统概述操作系统概述1.1.1 1.1.1 什么是操作系统什么是操作系统操作系统操作系统OS（OperatingSystem）是裸机上的第）是裸机上的第一层软件。操作系统是计一层软件。操作系统是计算机系统中最重要的系统算机系统中最重要的系统软件，是硬件的第一层封软件，是硬件的第一层封装与抽象，在计算机系统装与抽象，在计算机系统中占据着重要的地位，所中占据着重要的地位，所有其他的系统软件与应用有其他的系统软件与应用软件都依赖于操作系统的软件都依赖于操作系统的支持与服务。除提供编程支持与服务。除提供编程接口，操作系统还承担着接口，操作系统还承担着任务管理、事件管理和消任务管理、事件管理和消息通信、息通信、CPU管理、内存管理、内存管理、管理、IO管理等核心功能。管理等核心功能。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.1 操作系统概述操作系统概述1.1.2 1.1.2 操作系统基本功能操作系统基本功能1.任务管理任务管理任务是程序的一次执行。任务可以任务是程序的一次执行。任务可以分为系统任务和用户任务。系统任分为系统任务和用户任务。系统任务是操作系统本身的任务，如操作务是操作系统本身的任务，如操作系统的主程序，时钟中断服务程序，系统的主程序，时钟中断服务程序，如后面要讲到的空闲任务和统计任如后面要讲到的空闲任务和统计任务等。用户任务是用户应用程序的务等。用户任务是用户应用程序的运行，如用户设计的计算器软件的运行，如用户设计的计算器软件的一次执行或一次执行或WORD软件的运行，如软件的运行，如本书中给出的一些用户任务。这些本书中给出的一些用户任务。这些任务都需要任务管理部分来管理。任务都需要任务管理部分来管理。2.CPU管理管理CPU管理的含义在于多任务管理的含义在于多任务OS对对CPU的分配，也就是分配对的分配，也就是分配对CPU的所有权，简单说，哪个软件正在的所有权，简单说，哪个软件正在运行，占有运行，占有CPU。可以把它归入任。可以把它归入任务管理。务管理。3.内存管理内存管理内存是任务的生存空间。内存管理内存是任务的生存空间。内存管理用于给任务分配内存空间，相应的，用于给任务分配内存空间，相应的，在任务结束后释放内存空间。在任务结束后释放内存空间。4.文件管理文件管理文件管理系统是实现对文件的统一文件管理系统是实现对文件的统一管理，是对文件存储器的存储空间管理，是对文件存储器的存储空间进行组织，分配和回收，负责文件进行组织，分配和回收，负责文件的存储，检索，共享和保护。从用的存储，检索，共享和保护。从用户角度来看，文件系统主要是实现户角度来看，文件系统主要是实现按名取存按名取存，文件系统的用户只要，文件系统的用户只要知道所需文件的文件名，就可存取知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而无需知道这些文文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。件究竟存放在什么地方。5.IO设备管理设备管理管理系统中的各种硬件设备，如打管理系统中的各种硬件设备，如打印机，显示器，硬盘等。很明显，印机，显示器，硬盘等。很明显，用户应用程序应该调用用户应用程序应该调用IO设备管理设备管理模块提供的模块提供的API来对设备进行操作，来对设备进行操作，而不是直接读写硬件。而不是直接读写硬件。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 2实时操作系统概述实时操作系统概述实时操作系统RTOS（Real Time Operating System）是指当外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。实时系统与非实时系统的本质区别就在于实时系统中的任务都有时间限制。1.2.1什么是实时操作系统什么是实时操作系统作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 2实时操作系统概述实时操作系统概述1.实时操作系统首先是多任务操作系统。2.多级中断机制。3.优先级调度机制。1.2.1实时操作系统基本特征实时操作系统基本特征作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 3任务任务1.3.11.3.1任务任务任务是程序的动态表现，在操作系统中体现为线程，是程任务是程序的动态表现，在操作系统中体现为线程，是程序的一次执行过程。序的一次执行过程。程序是静止的，存在于ROM、硬盘等外部设备。任务是运动的，存在于内存中，有睡眠、就绪、运行、阻塞、挂起等多种状态。相同的程序的多次执行是可以的，就形成了多个优先级不同的任务，每一个都是独立的。在实时系统中，把应用程序的设计过程分割为多个任务务，每个任务都有自己的优先级优先级，在操作系统的调度下协调运行。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ usertask(void*pParam)INT8U i=0;for(;)printf(%dn,i);i+;OSTimeDly(100);作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 3任务任务1.3.21.3.2多任务多任务作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 3任务任务1.3.31.3.3任务状态任务状态作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 任务切换就是任务切换就是contextswitch，是任务调度的重要部分。从字面上是上，是任务调度的重要部分。从字面上是上下文切换。任务切换是暂停一个任务的运行，运行另一个就绪的任务。暂下文切换。任务切换是暂停一个任务的运行，运行另一个就绪的任务。暂停一个任务，以后又能恢复运行，必须考虑将这个任务运行的信息保存，停一个任务，以后又能恢复运行，必须考虑将这个任务运行的信息保存，而恢复运行的时候需要将这些信息恢复到运行环境。而恢复运行的时候需要将这些信息恢复到运行环境。任务切换必须做环境的保存和恢复的操作。任务切换必须做环境的保存和恢复的操作。在操作系统移植的时候，任务切换代码就是必须要实现的部分之一。在操作系统移植的时候，任务切换代码就是必须要实现的部分之一。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.3.5 可重入和不可重入函数可重入和不可重入函数函数可重入是指一个函数可以被多个任务调用，而不需要担心在任务切换函数可重入是指一个函数可以被多个任务调用，而不需要担心在任务切换的过程中，代码的执行会产生错误的结果。的过程中，代码的执行会产生错误的结果。如果函数被多个任务调用，可能产生错误的结果，就是不可重入函数如果函数被多个任务调用，可能产生错误的结果，就是不可重入函数。例子：教材表例子：教材表1.4-1.5作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.4 内核内核1.4.11.4.1内核内核内核是操作系统最核心的部分，其主要功能就内核是操作系统最核心的部分，其主要功能就是进行任务调度。所谓调度，就是决定多任务是进行任务调度。所谓调度，就是决定多任务的运行状态，哪个任务应该处于图的运行状态，哪个任务应该处于图1.4中的哪种中的哪种状态。内核中最最核心的基本服务就是调度的状态。内核中最最核心的基本服务就是调度的核心核心任务切换任务切换C/OS使用的是一种基于优先级的可剥夺型内使用的是一种基于优先级的可剥夺型内核。核。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.4 内核内核1.4.11.4.1基于优先级的调度算法基于优先级的调度算法在在C/OS中，可以同时有中，可以同时有64个就绪任务，每个个就绪任务，每个任务都有各自的优先级。优先级用无符号整数任务都有各自的优先级。优先级用无符号整数来表示，从来表示，从0到到63，数字越大则优先级越低。，数字越大则优先级越低。C/OS总是调度就绪了的，优先级最高的任务总是调度就绪了的，优先级最高的任务获得获得CPU的控制权，不管这个任务是什么，执的控制权，不管这个任务是什么，执行什么样的功能，也不管该任务是否已经等了行什么样的功能，也不管该任务是否已经等了很久。很久。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.4 内核内核1.4.11.4.1不可剥夺和可剥夺内核不可剥夺和可剥夺内核作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.11.5.1同步同步任务是独立的，但是任务之间又有着各种各样的关系，任务是独立的，但是任务之间又有着各种各样的关系，以成为一个整体，来完成某一项工作。有时候一个任务以成为一个整体，来完成某一项工作。有时候一个任务完成的前提是需要另一个任务给出一个结果，任务之间完成的前提是需要另一个任务给出一个结果，任务之间的这种制约性的合作运行机制叫做任务间的同步。的这种制约性的合作运行机制叫做任务间的同步。例如，例如，A任务实现计算功能，任务实现计算功能，B任务输出任务输出A任务计算的任务计算的结果，然后循环运行。结果，然后循环运行。A任务和任务和B任务就必须同步，否任务就必须同步，否则则B任务输出的可能不是任务输出的可能不是A任务刚完成的结果，或则任务刚完成的结果，或则B任务访问结果时，任务访问结果时，A任务正在修改，因而输出错误的结任务正在修改，因而输出错误的结果。果。A和和B就是必须进行同步的任务。就是必须进行同步的任务。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.21.5.2互斥互斥 前面的例子中，前面的例子中，A和和B两个任务都要访问计算结果这个两个任务都要访问计算结果这个共享资源，但是在共享资源，但是在A写这个资源的同时，写这个资源的同时，B必须等待，必须等待，而不能在而不能在A写到一半的时候结束写到一半的时候结束A而让而让B来读，这样会来读，这样会产生灾难性的后果。产生灾难性的后果。这样的共享资源称为临界资源（这样的共享资源称为临界资源（CriticalResource）。）。这种访问共享资源的排他性就是互斥。这种访问共享资源的排他性就是互斥。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.31.5.3临界区临界区 每个任务中访问共享资源的那段程序称为临界区每个任务中访问共享资源的那段程序称为临界区（CriticalSection），因为共享资源的访问是要互斥），因为共享资源的访问是要互斥的。在临界区不允许任务切换，的。在临界区不允许任务切换，这是最根本的原则。这是最根本的原则。因为如果在访问共享资源的时候进行任务切换，就可能因为如果在访问共享资源的时候进行任务切换，就可能发生前面提到的灾难性后果。因此，在进入临界区访问发生前面提到的灾难性后果。因此，在进入临界区访问共享资源之前，采用关中断，给调度器上锁或使用信号共享资源之前，采用关中断，给调度器上锁或使用信号量的方法，达到互斥的目的。量的方法，达到互斥的目的。访问临界区的例子访问临界区的例子作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.41.5.4任务事件任务事件 事件（事件（Event）就是在操作系统运行过程中发生的事情。）就是在操作系统运行过程中发生的事情。例如任务被挂起、唤醒、创建等。例如任务被挂起、唤醒、创建等。C/OS操作系统在处理任务的同步和通信等环节，大量操作系统在处理任务的同步和通信等环节，大量的使用了事件这一概念，创建了事件控制块这样的数据的使用了事件这一概念，创建了事件控制块这样的数据结构以进行事件的管理。结构以进行事件的管理。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.51.5.5信号量信号量在一个时刻，有些共享资源只可以被一个任务所占有，在一个时刻，有些共享资源只可以被一个任务所占有，而有些可以被至多而有些可以被至多N个任务所共享。前一种共享资源就个任务所共享。前一种共享资源就好比有一把钥匙，钥匙发出去了，得到钥匙的任务可以好比有一把钥匙，钥匙发出去了，得到钥匙的任务可以访问共享资源，其他请求该资源的任务必须等得到钥匙访问共享资源，其他请求该资源的任务必须等得到钥匙的任务把钥匙归还。后者则可以有的任务把钥匙归还。后者则可以有N把钥匙，如果把钥匙，如果N把把钥匙都发完了，第钥匙都发完了，第N+1个请求访问共享资源的任务就必个请求访问共享资源的任务就必须等待。这些钥匙就可以用信号量（须等待。这些钥匙就可以用信号量（semaphore）来）来表示。表示。信号量标志了共享资源的有效可被访问数量，于是要获信号量标志了共享资源的有效可被访问数量，于是要获得共享资源的访问权，就首先要得到信号量这把钥匙。得共享资源的访问权，就首先要得到信号量这把钥匙。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.51.5.5信号量信号量信号量三种操作：信号量三种操作：1.建立（建立（create）建立并初始化信号量，在一个事件块里标志该信号，记录该信号建立并初始化信号量，在一个事件块里标志该信号，记录该信号的量值，执行的是给资源配钥匙的操作。该操作的条件是系统中的量值，执行的是给资源配钥匙的操作。该操作的条件是系统中还有空余的事件块。操作系统能处理的事件是有限的，任何的数还有空余的事件块。操作系统能处理的事件是有限的，任何的数据结构都不能无限，尤其是在实时系统中。据结构都不能无限，尤其是在实时系统中。2.请求（请求（pend）请求信号，如果还有钥匙（信号量大于请求信号，如果还有钥匙（信号量大于0），就去领一把（信号量），就去领一把（信号量-），执行下去；如果没有，就要把自己阻塞掉，因为不能执行下），执行下去；如果没有，就要把自己阻塞掉，因为不能执行下去就不需要再占用宝贵的去就不需要再占用宝贵的CPU。3.释放（释放（post）访问资源的操作完成后就把钥匙交回（信号量访问资源的操作完成后就把钥匙交回（信号量+）。这时，如果）。这时，如果有等待该钥匙的任务就绪，并比当前任务有更高的优先级，就执有等待该钥匙的任务就绪，并比当前任务有更高的优先级，就执行任务调度。否则，原任务在释放信号量之后继续执行。行任务调度。否则，原任务在释放信号量之后继续执行。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.61.5.6互斥信号量互斥信号量互斥信号量是一种特殊的信号量，这不仅在于该信号互斥信号量是一种特殊的信号量，这不仅在于该信号量只有用于互斥资源的访问，还在于使用互斥信号量管量只有用于互斥资源的访问，还在于使用互斥信号量管理需要解决的优先级反转问题。理需要解决的优先级反转问题。如系统中有三个任务分别是高优先级、中优先级和低如系统中有三个任务分别是高优先级、中优先级和低优先级的，当低优先级的任务在运行的时候访问互斥资优先级的，当低优先级的任务在运行的时候访问互斥资源，而中优先级的任务运行的时候将使低优先级的任务源，而中优先级的任务运行的时候将使低优先级的任务得不到运行而死抱着资源不放。这是高优先级的任务开得不到运行而死抱着资源不放。这是高优先级的任务开始运行的时候，必须等待中优先级的任务运行完成，然始运行的时候，必须等待中优先级的任务运行完成，然后等低优先级的任务访问资源完成才行。如果在低优先后等低优先级的任务访问资源完成才行。如果在低优先级的任务访问资源过程中又有中优先级任务运行，那么级的任务访问资源过程中又有中优先级任务运行，那么高优先级的任务只有继续等待。这种情况就是优先级反高优先级的任务只有继续等待。这种情况就是优先级反转转。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.71.5.7事件标志组事件标志组在信号量和互斥信号量的管理中，任务请求资源，在信号量和互斥信号量的管理中，任务请求资源，如果资源未被占用就可继续运行，否则只能阻塞，等待如果资源未被占用就可继续运行，否则只能阻塞，等待资源释放的事件发生。这种事件是单一的事件。如果任资源释放的事件发生。这种事件是单一的事件。如果任务要等待多个事件的发生，或多个事件中的某一个事件务要等待多个事件的发生，或多个事件中的某一个事件的发生就可以继续运行，那么就应该采用事件标志组管的发生就可以继续运行，那么就应该采用事件标志组管理。理。事件标志组管理的条件组合可以是多个事件都发生，事件标志组管理的条件组合可以是多个事件都发生，也可以是多个事件中有任何一个事件发生。尤其特别的也可以是多个事件中有任何一个事件发生。尤其特别的是，还可以是多个事件都没有发生或多个事件中有任何是，还可以是多个事件都没有发生或多个事件中有任何一个事件没有发生。一个事件没有发生。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.5 同步和通信同步和通信1.5.8 1.5.8 消息邮箱和消息队列消息邮箱和消息队列邮箱邮箱(MailBox)很明显是用于通信的，邮箱中的内容一很明显是用于通信的，邮箱中的内容一般是信件。操作系统也通过邮箱来管理任务间的通信与般是信件。操作系统也通过邮箱来管理任务间的通信与同步，邮箱中的内容却不是信件本身，而是指向消息内同步，邮箱中的内容却不是信件本身，而是指向消息内容的地址！这个指针是容的地址！这个指针是void类型的，可以指向任何的数类型的，可以指向任何的数据结构。因而这样的设计更经济，所发送的信息范围也据结构。因而这样的设计更经济，所发送的信息范围也就更宽，邮箱中可以容纳下任何长度的数据了。就更宽，邮箱中可以容纳下任何长度的数据了。消息队列（消息队列（messagequeue）也用于给任务发消息，）也用于给任务发消息，但是它是由多个消息邮箱组合形成的，是消息邮箱的集但是它是由多个消息邮箱组合形成的，是消息邮箱的集合，实质上是消息邮箱的队列。一个消息邮箱只能容纳合，实质上是消息邮箱的队列。一个消息邮箱只能容纳一条消息，采用消息队列，一是可以容纳多条消息，二一条消息，采用消息队列，一是可以容纳多条消息，二是消息是有序的是消息是有序的。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/ 1.6 中断和时钟中断和时钟嵌入式实时操作系统的中断是指在任务的执行过程中，当出现异常情况或嵌入式实时操作系统的中断是指在任务的执行过程中，当出现异常情况或特殊请求时，停止任务的执行，转而对这些异常情况或特殊请求进行处理，特殊请求时，停止任务的执行，转而对这些异常情况或特殊请求进行处理，处理结束后再返回当前任务的间断处，或由于中断服务程序使更高优先级处理结束后再返回当前任务的间断处，或由于中断服务程序使更高优先级的程序就绪，转而执行优先级更高的任务。中断是实时地处理内部或外部的程序就绪，转而执行优先级更高的任务。中断是实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。这里异常情况或特殊请求是中断源，称为异步事件，事件的一种内部机制。这里异常情况或特殊请求是中断源，称为异步事件，处理异步事件所的程序是中断服务程序。处理异步事件所的程序是中断服务程序。作者卢有亮作者卢有亮图书图书PPT和全部代码下载和全部代码下载http:/