23.1 操作系統(tǒng)概述

之前的實(shí)驗(yàn)都是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)某個(gè)單一功能，但是有時(shí)候需要在兩個(gè)功能同時(shí)運(yùn)行，這時(shí)就需要引入操作系統(tǒng)的概念，操作系統(tǒng)（Operating System，簡(jiǎn)稱OS）是一種管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)大致包括5種功能：進(jìn)程管理，作業(yè)管理，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理與文件管理。

23.1.1 操作系統(tǒng)分類

操作系統(tǒng)有三種基本類型：多道程序系統(tǒng)，分時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)，最初操作系統(tǒng)是不支持這種微型單片機(jī)的運(yùn)行的，隨著科技的發(fā)展才產(chǎn)生了針對(duì)于這種M系列內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，常見的嵌入式操作系統(tǒng)有FreeeRTOS，uCos，uC-Linux（一種Linux精簡(jiǎn)版本），在STM32中一般運(yùn)用FreeRTOS和uCos這兩種系統(tǒng)，Linux由于必須有內(nèi)存才能運(yùn)行，一般Linux系統(tǒng)需要大約200M的存儲(chǔ)空間才能裝下，我們這里采用uCos-II系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的移植實(shí)驗(yàn)。

23.1.2 uCOS簡(jiǎn)介

uCos系統(tǒng)最早出自于1992年美國(guó)嵌入式專家Jean J.Labrosse發(fā)表在《嵌入式系統(tǒng)編程》上的，并在該雜志的BBS上發(fā)布了源碼，發(fā)展到現(xiàn)在uCos-III已經(jīng)出來(lái)，但是目前使用最廣泛的還是uCos-II，本單元我們采用uCos-II來(lái)進(jìn)行介紹。

   uCos-II是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的，可裁剪的，搶占式，實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，這是一種專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，CPU硬件相關(guān)部分采用匯編語(yǔ)言編寫，執(zhí)行效率高，占用空間小，最小內(nèi)核可編譯至2Kbyte，uCos-II體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，我們移植系統(tǒng)的時(shí)候，只需要修改os_cpu.h，os_cpu_a.asm和os_cpu.c等三個(gè)文件即可，其中其中：os_cpu.h，進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的定義，以及處理器相關(guān)代碼和幾個(gè)函數(shù)原型；os_cpu_a.asm，是移植過(guò)程中需要匯編完成的一些函數(shù)，主要就是任務(wù)切換函數(shù)；os_cpu.c，定義一些用戶HOOK函數(shù)。

圖中定時(shí)器的作用是為UCOS-II提供系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換和任務(wù)延時(shí)等功能。這個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍由OS_TICKS_PER_SEC（在os_cfg.h中定義）設(shè)置，一般我們?cè)O(shè)置uCos-II的系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍為1ms~100ms，具體根據(jù)你所用處理器和使用需要來(lái)設(shè)置。我們利用STM32F1的SYSTICK定時(shí)器來(lái)提供UCOS-II時(shí)鐘節(jié)拍。

uCos-II早期版本只支持64個(gè)任務(wù)，但是從2.80版本開始，支持任務(wù)數(shù)提高到255個(gè)，不過(guò)對(duì)我們來(lái)說(shuō)一般64個(gè)任務(wù)都是足夠多了，一般很難用到這么多個(gè)任務(wù)。uCos-II保留了最高4個(gè)優(yōu)先級(jí)和最低4個(gè)優(yōu)先級(jí)的總共8個(gè)任務(wù)，用于拓展使用，但實(shí)際上，uCos-II一般只占用了最低2個(gè)優(yōu)先級(jí)，分別用于空閑任務(wù)（倒數(shù)第一）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)（倒數(shù)第二），所以剩下給我們使用的任務(wù)最多可達(dá)255-2=253個(gè)（V2.91）。

所謂的任務(wù)，其實(shí)就是一個(gè)死循環(huán)函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)一定的功能，一個(gè)工程可以有很多這樣的任務(wù)（最多255個(gè)），uCos-II對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理，讓這些任務(wù)可以并發(fā)工作（不是同時(shí)工作，并發(fā)只是各任務(wù)輪流占用CPU，而不是同時(shí)占用，任何時(shí)候還是只有1個(gè)任務(wù)能夠占用CPU），這就是uCos-II最基本的功能。

uCos-II的任何任務(wù)都是通過(guò)一個(gè)叫任務(wù)控制塊（TCB）的東西來(lái)控制的，每個(gè)任務(wù)管理塊有3個(gè)最重要的參數(shù)：1，任務(wù)函數(shù)指針；2，任務(wù)堆棧指針；3，任務(wù)優(yōu)先級(jí)；任務(wù)控制塊就是任務(wù)在系統(tǒng)里面的身份證（uCos-II通過(guò)優(yōu)先級(jí)識(shí)別任務(wù)）

在uCos-II中，使用CPU的時(shí)候，優(yōu)先級(jí)高（數(shù)值小）的任務(wù)比優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)具有優(yōu)先使用權(quán)，即任務(wù)就緒表中總是優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)獲得CPU使用權(quán)，只有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)讓出CPU使用權(quán)（比如延時(shí)）時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)才能獲得CPU使用權(quán)。uCos-II不支持多個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同，也就是每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不一樣。任務(wù)的調(diào)度其實(shí)就是CPU運(yùn)行環(huán)境的切換

uCos-II的每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)死循環(huán)。每個(gè)任務(wù)都處在以下5種狀態(tài)之一的狀態(tài)下，這5種狀態(tài)是：睡眠狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、等待狀態(tài)(等待某一事件發(fā)生)和中斷服務(wù)狀態(tài)。

（1）睡眠狀態(tài)：任務(wù)在沒(méi)有被配備任務(wù)控制塊或被剝奪了任務(wù)控制塊時(shí)的狀態(tài)。

（2）就緒狀態(tài)：系統(tǒng)為任務(wù)配備了任務(wù)控制塊且在任務(wù)就緒表中進(jìn)行了就緒登記，任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，但由于該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比正在運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低，還暫時(shí)不能運(yùn)行，這時(shí)任務(wù)的狀態(tài)叫做就緒狀態(tài)。

（3）運(yùn)行狀態(tài)：該任務(wù)獲得CPU使用權(quán)，并正在運(yùn)行中，此時(shí)的任務(wù)狀態(tài)叫做運(yùn)行狀態(tài)。

（4）等待狀態(tài)：正在運(yùn)行的任務(wù)，需要等待一段時(shí)間或需要等待一個(gè)事件發(fā)生再運(yùn)行時(shí)，該任務(wù)就會(huì)把CPU的使用權(quán)讓給別的任務(wù)而使任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)。

（5）中斷服務(wù)狀態(tài)：一個(gè)正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請(qǐng)就會(huì)中止運(yùn)行而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這時(shí)任務(wù)的狀態(tài)叫做中斷服務(wù)狀態(tài)。

uCos-II任務(wù)的5個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖

23.1.3 uCOS-II中與任務(wù)相關(guān)的函數(shù)

（1）創(chuàng)建進(jìn)程：OSTaskCreate

函數(shù)原型：OSTaskCreate( void( *task )( void *pd ), void *pdata, OS_STK *ptos, INTU prio )

函數(shù)參數(shù)：

task：指向任務(wù)代碼的指針

pdata：任務(wù)開始執(zhí)行時(shí)，傳遞給任務(wù)的參數(shù)的指針

ptos：分配給任務(wù)的堆棧的棧頂指針

prio：分配給任務(wù)的優(yōu)先級(jí)

每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧，堆棧必須申明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的內(nèi)存空間組成。可以靜態(tài)分配堆棧空間，也可以動(dòng)態(tài)分配堆棧空間。

（2）刪除進(jìn)程

函數(shù)原型：INT8U OSTaskDel( INT8U prio )

函數(shù)參數(shù)：

prio：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，該函數(shù)是通過(guò)任務(wù)優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)刪除的

（3）請(qǐng)求刪除進(jìn)程

函數(shù)原型：INT8U OSTaskDelReq( INT8U prio )

函數(shù)參數(shù)：

prio：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

（4）修改進(jìn)程優(yōu)先級(jí)

函數(shù)原型：INT8U OSTaskChangePrio( INT8U oldprio, INT8U newprio )

函數(shù)參數(shù)：

oldprio：進(jìn)程的源優(yōu)先級(jí)

newprio：進(jìn)程的新優(yōu)先級(jí)

（5）進(jìn)程掛起

函數(shù)原型：INT8U OSTaskSuspend( INT8U prio )

函數(shù)參數(shù)：

prio：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

任務(wù)掛起和任務(wù)刪除有點(diǎn)類似，任務(wù)掛起只是將被掛起任務(wù)的就緒標(biāo)志刪除，并做任務(wù)掛起記錄，并沒(méi)有將任務(wù)控制塊任務(wù)控制塊鏈表里面刪除，也不需要釋放其資源，而任務(wù)刪除則必須先釋放被刪除任務(wù)的資源，并將被刪除任務(wù)的任務(wù)控制塊也給刪了。被掛起的任務(wù)，在恢復(fù)后可以繼續(xù)運(yùn)行。

（6）恢復(fù)進(jìn)程

函數(shù)原型：INT8U OSTaskResume( INT8U prio )

函數(shù)參數(shù)：

prio：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)