第3章 内核结构.docx
《第3章 内核结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 内核结构.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第3章内核结构
第3章内核结构1
3.0临界段（CriticalSections）1
3.1任务1
3.2任务状态3
3.3任务控制块（TaskControlBlocks,OS_TCBs）4
3.4就绪表（ReadyList）7
3.5任务调度（TaskScheduling）10
3.6给调度器上锁和开锁（LockingandUnLockingtheScheduler）11
3.7空闲任务（IdleTask）12
3.8统计任务13
3.9μC/OS中的中断处理16
3.10时钟节拍20
3.11μC/OS-Ⅱ初始化23
3.12μC/OS-Ⅱ的启动24
3.13获取当前μC/OS-Ⅱ的版本号27
第3章内核结构
本章给出μC/OS-Ⅱ的主要结构概貌。
读者将学习以下一些内容；
●μC/OS-Ⅱ是怎样处理临界段代码的;
●什么是任务，怎样把用户的任务交给μC/OS-Ⅱ;
●任务是怎样调度的;
●μC/OS-Ⅱ是怎样知道应用程序CPU的利用率的;
●怎样写中断服务子程序;
●什么是时钟节拍，μC/OS-Ⅱ是怎样处理时钟节拍的;
●μC/OS-Ⅱ是怎样初始化的；
●怎样启动多任务;
本章还描述以下函数,这些服务于应用程序：
●OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）,
●OSInit（）,
●OSStart（）,
●OSIntEnter（）和OSIntExit（）,
●OSSchedLock（）和OSSchedUnlock（）,以及
●OSVersion（）.
3.1临界段（CriticalSections）
μC/OS-Ⅱ定义两个宏（macros）来关中断和开中断。
分别是：
OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）。
在文件OS_CPU.H中。
每种微处理器都有自己的OS_CPU.H文件。
3.2任务
一个任务通常是一个无限的循环[L3.1
（2）]，如程序清单3.1所示。
程序清单L3.1任务是一个无限循环
voidYourTask（void*pdata）
（1）
{
for（;;）{
（2）
/*用户代码*/
调用uC/OS-II的某种系统服务:
OSMboxPend（）;
OSQPend（）;
OSSemPend（）;
OSTaskDel（OS_PRIO_SELF）;
OSTaskSuspend（OS_PRIO_SELF）;
OSTimeDly（）;
OSTimeDlyHMSM（）;
/*用户代码*/
}
}
当任务完成以后，任务可以自我删除，如清单L3.2所示。
注意任务代码并非真的删除了，μC/OS-Ⅱ只是简单地不再理会这个任务了，这个任务的代码也不会再运行。
程序清单L3.2.任务完成后自我删除
voidYourTask（void*pdata）
{
/*用户代码*/
OSTaskDel（OS_PRIO_SELF）;
}
3.3任务状态
睡眠态（DORMANT）：
指任务驻留在程序空间之中，还没有交给μC/OS-Ⅱ管理。
就绪态：
当任务一旦建立，这个任务就进入就绪态准备运行。
运行态：
调用OSStart（）可以启动多任务。
等待状态
中断状态
图3.1任务的状态
3.4任务控制块（TaskControlBlocks,OS_TCBs）
一旦任务建立了，任务控制块OS_TCBs将被赋值（程序清单3.3）。
任务建立的时候，OS_TCBs就被初始化。
程序清单L3.3µC/OS-II任务控制块.
typedefstructos_tcb{
OS_STK*OSTCBStkPtr;
#ifOS_TASK_CREATE_EXT_EN
void*OSTCBExtPtr;
OS_STK*OSTCBStkBottom;
INT32UOSTCBStkSize;
INT16UOSTCBOpt;
INT16UOSTCBId;
#endif
structos_tcb*OSTCBNext;
structos_tcb*OSTCBPrev;
#if（OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））||OS_MBOX_EN||OS_SEM_EN
OS_EVENT*OSTCBEventPtr;
#endif
#if（OS_Q_EN&&（OS_MAX_QS>=2））||OS_MBOX_EN
void*OSTCBMsg;
#endif
INT16UOSTCBDly;
INT8UOSTCBStat;
INT8UOSTCBPrio;
INT8UOSTCBX;
INT8UOSTCBY;
INT8UOSTCBBitX;
INT8UOSTCBBitY;
#ifOS_TASK_DEL_EN
BOOLEANOSTCBDelReq;
#endif
}OS_TCB;
.OSTCBX,.OSTCBY,.OSTCBBitX和.OSTCBBitY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（避免在运行中去计算这些值）。
这些值是在任务建立时算好的，或者是在改变任务优先级时算出的。
这些值的算法见程序清单L3.4。
程序清单L3.4任务控制块OS_TCB中几个成员的算法
OSTCBY
=priority>>3;
OSTCBBitY
=OSMapTbl[priority>>3];
OSTCBX
=priority&0x07;
OSTCBBitX
=OSMapTbl[priority&0x07];
应用程序中可以有的最多任务数（OS_MAX_TASKS）是在文件OS_CFG.H中定义的。
这个最多任务数也是μC/OS-Ⅱ分配给用户程序的最多任务控制块OS_TCBs的数目。
在μC/OS-Ⅱ初始化的时候，如图3.2所示，所有任务控制块OS_TCBs被链接成单向空任务链表。
当任务一旦建立，空任务控制块指针OSTCBFreeList指向的任务控制块便赋给了该任务，然后OSTCBFreeList的值调整为指向下链表中下一个空的任务控制块。
一旦任务被删除，任务控制块就还给空任务链表。
图3.2空任务列表
3.5就绪表（ReadyList）
每个任务的就绪态标志都放入就绪表中的，就绪表中有两个变量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。
OSRdyGrp和OSRdyTbl[]之间的关系见图3.3，是按以下规则给出的：
当OSRdyTbl[0]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第0位置1，
当OSRdyTbl[1]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第1位置1，
当OSRdyTbl[2]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第2位置1，
当OSRdyTbl[3]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第3位置1，
当OSRdyTbl[4]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第4位置1，
当OSRdyTbl[5]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第5位置1，
当OSRdyTbl[6]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第6位置1，
当OSRdyTbl[7]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第7位置1，
图3.3μC/OS-Ⅱ就绪表
程序清单3.5中的代码用于将任务放入就绪表。
Prio是任务的优先级。
程序清单L3.5使任务进入就绪态
OSRdyGrp|=OSMapTbl[prio>>3];
OSRdyTbl[prio>>3]|=OSMapTbl[prio&0x07];
表T3.1OSMapTbl[]的值
Index
BitMask（Binary）
0
00000001
1
00000010
2
00000100
3
00001000
4
00010000
5
00100000
6
01000000
7
10000000
如果一个任务被删除了，则用程序清单3.6中的代码做求反处理。
程序清单L3.6从就绪表中删除一个任务
if（（OSRdyTbl[prio>>3]&=~OSMapTbl[prio&0x07]）==0）
OSRdyGrp&=~OSMapTbl[prio>>3];
为了找到那个进入就绪态的优先级最高的任务，并不需要从OSRdyTbl[0]开始扫描整个就绪任务表，只需要查另外一张表，即优先级判定表OSUnMapTbl[256]。
INT8UconstOSUnMapTbl[]={
0,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x00to0x0F*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x10to0x1F*/
5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x20to0x2F*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x30to0x3F*/
6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x40to0x4F*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x50to0x5F*/
5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x60to0x6F*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x70to0x7F*/
7,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x80to0x8F*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x90to0x9F*/
5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0xA0to0xAF*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0xB0to0xBF*/
6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0xC0to0xCF*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0xD0to0xDF*/
5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0xE0to0xEF*/
4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0/*0xF0to0xFF*/
};
程序清单L3.7找出进入就绪态的优先级最高的任务
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
x=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];
prio=（y<<3）+x;
例如：
如果OSRdyGrp的值为二进制01101000，查OSUnMapTbl[OSRdyGrp]得到的值是3；
如果OSRdyTbl[3]的值是二进制11100100,则OSUnMapTbl[OSRdyTbl[3]]的值是2；
优先级Prio就等于26（3*8+2）。
3.6任务调度（TaskScheduling）
μC/OS-Ⅱ总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一个。
确定哪个任务优先级最高，下面该哪个任务运行了的工作是由调度器（Scheduler）完成的。
任务级的调度是由函数OSSched（）完成的。
中断级的调度是由另一个函数OSIntExt（）完成的，这个函数将在以后描述。
OSSched（）的代码如程序清单L3.8所示。
程序清单L3.8任务调度器（theTaskScheduler）
voidOSSched（void）
{
INT8Uy;
OS_ENTER_CRITICAL（）;
if（（OSLockNesting|OSIntNesting）==0）{
（1）
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
（2）
OSPrioHighRdy=（INT8U）（（y<<3）+OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]）;
（2）
if（OSPrioHighRdy!
=OSPrioCur）{（3）
OSTCBHighRdy=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];（4）
OSCtxSwCtr++;（5）
OS_TASK_SW（）;（6）
}
}
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
任务切换由以下两步完成：
（1）将被挂起任务的微处理器寄存器推入堆栈。
（2）然后将较高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器中。
3.7给调度器上锁和开锁（LockingandUnLockingtheScheduler）
用于禁止任务调度。
程序清单L3.9给调度器上锁
voidOSSchedLock（void）
{
if（OSRunning==TRUE）{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSLockNesting++;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
}
程序清单L3.10给调度器开锁.
voidOSSchedUnlock（void）
{
if（OSRunning==TRUE）{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
if（OSLockNesting>0）{
OSLockNesting--;
if（（OSLockNesting|OSIntNesting）==0）{
（1）
OS_EXIT_CRITICAL（）;
OSSched（）;
（2）
}else{
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
}else{
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
}
}
3.8空闲任务（IdleTask）
μC/OS-Ⅱ总是建立一个空闲任务，在没有其它任务进入就绪态时投入运行。
空闲任务设为最低优先级，即OS_LOWEST_PRI0。
程序清单L3.11μC/OS-Ⅱ的空闲任务.
voidOSTaskIdle（void*pdata）
{
pdata=pdata;
for（;;）{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSIdleCtr++;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
}
3.9统计任务
提供运行时间统计的任务叫做OSTaskStat（）。
如果用户将系统定义常数OS_TASK_STAT_EN（见文件OS_CFG.H）设为1，这个任务就会建立。
一旦得到了允许，OSTaskStat（）每秒钟运行一次（见文件OS_CORE.C），计算当前的CPU利用率。
并放在有符号8位整数OSCPUsage中。
程序清单L3.12初始化统计任务.
voidmain（void）
{
OSInit（）;/*初始化uC/OS-II
（1）*/
/*安装uC/OS-II的任务切换向量*/
/*创建用户起始任务（为了方便讨论，这里以TaskStart（）作为起始任务）
（2）*/
OSStart（）;/*开始多任务调度（3）*/
}
voidTaskStart（void*pdata）
{
/*安装并启动uC/OS-II的时钟节拍（4）*/
OSStatInit（）;/*初始化统计任务（5）*/
/*创建用户应用程序任务*/
for（;;）{
/*这里是TaskStart（）的代码!
*/
}
}
图F3.4统计任务的初始化
程序清单L3.13统计任务的初始化.
voidOSStatInit（void）
{
OSTimeDly
（2）;
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSIdleCtr=0L;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
OSTimeDly（OS_TICKS_PER_SEC）;
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSIdleCtrMax=OSIdleCtr;
OSStatRdy=TRUE;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
程序清单L3.14统计任务
voidOSTaskStat（void*pdata）
{
INT32Urun;
INT8Susage;
pdata=pdata;
while（OSStatRdy==FALSE）{
（1）
OSTimeDly（2*OS_TICKS_PER_SEC）;
}
for（;;）{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSIdleCtrRun=OSIdleCtr;
run=OSIdleCtr;
OSIdleCtr=0L;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
if（OSIdleCtrMax>0L）{
usage=（INT8S）（100L-100L*run/OSIdleCtrMax）;
（2）
if（usage>100）{
OSCPUUsage=100;
}elseif（usage<0）{
OSCPUUsage=0;
}else{
OSCPUUsage=usage;
}
}else{
OSCPUUsage=0;
}
OSTaskStatHook（）;（3）
OSTimeDly（OS_TICKS_PER_SEC）;
}
}
3.10μC/OS中的中断处理
μC/OS中，中断服务子程序要用汇编语言来写。
程序清单L3.15μC/OS-II中的中断服务子程序.
用户中断服务子程序:
保存全部CPU寄存器;
（1）
调用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；
（2）
执行用户代码做中断服务;（3）
调用OSIntExit（）；（4）
恢复所有CPU寄存器；（5）
执行中断返回指令；（6）
图3.5中断服务
进入中断函数OSIntEnter（）的代码如程序清单L3.16所示，
程序清单L3.16通知μC/OS-Ⅱ，中断服务子程序开始了.
voidOSIntEnter（void）
{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
OSIntNesting++;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
程序清单L3.17通知μC/OS-Ⅱ，脱离了中断服务
voidOSIntExit（void）
{
OS_ENTER_CRITICAL（）;
（1）
if（（--OSIntNesting|OSLockNesting）==0）{
（2）
OSIntExitY=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];（3）
OSPrioHighRdy=（INT8U）（（OSIntExitY<<3）+
OSUnMapTbl[OSRdyTbl[OSIntExitY]]）;
if（OSPrioHighRdy!
=OSPrioCur）{
OSTCBHighRdy=OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
OSCtxSwCtr++;
OSIntCtxSw（）;（4）
}
}
OS_EXIT_CRITICAL（）;
}
图3.6中断中的任务切换函数OSIntCtxSw（）调整栈结构
3.11时钟节拍
μC/OS需要用户提供周期性信号源，用于实现时间延时和确认超时。
节拍率应在每秒10次到100次之间。
用户必须在多任务系统启动以后再开启时钟节拍器，也就是在调用OSStart（）之后。
程序清单L3.19启动时钟就节拍器的不正确做法.
voidmain（void）
{
.
.
OSInit（）;/*初始化uC/OS-II*/
/*应用程序初始化代码...*/
/*...通过调用OSTaskCreate（）创建至少一个任务*/
.
允许时钟节拍（TICKER）中断;/*千万不要在这里允许时钟节拍中断!
!
!
*/
.
OSStart（）;/*开始多任务调度*/
}
μC/OS-Ⅱ中的时钟节拍服务是通过在中断服务子程序中调用OSTimeTick（）实现的。
程序清单L3.20时钟节拍中断服务子程序的示意代码
voidOSTickISR（void）
{
保存处理器寄存器的值；
调用OSIntEnter（）或是将OSIntNesting加1;
调用OSTimeTick（）;
调用OSIntExit（）;
恢复处理器寄存器的值;
执行中断返回指令;
}
程序清单L3.21时钟节拍函数OSTimtick（）的一个节拍服务
voidOSTimeTick（void）
{
OS_TCB*ptcb;
OSTimeTickHook（）;
（1）
ptcb=OSTCBList;
（2）
while（ptcb->OSTCBPrio!
=OS_IDLE_PRIO）{（3）
OS_ENTER_CRITICAL（）;
if（ptcb->OSTCBDly!
=0）{
if（--ptcb->OSTCBDly==0）{
if（!
（ptcb->OSTCBStat&OS_STAT_SUSPEND））{（4）
OSRdyGrp|=ptcb->OSTCBBitY;（5）
OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY]|=ptcb->OSTCBBitX;
}else{
ptcb->OSTCBDly=1;
}
}
}
ptcb=ptcb->OSTCBNext;
OS_EXIT_CRITICAL
升级会员 