嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用：第四章 ucos-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核分析1

1、4C H A P T E Rc/os-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核分析1為什么要學(xué)習(xí)C/OS-II凡從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的人，必須對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)有足夠的了解。對(duì)于初學(xué)者，從C/OS-II開(kāi)始是個(gè)明智的選擇。C/OS-II麻雀雖小，卻五臟基本全（它是個(gè)微內(nèi)核）?？梢詫W(xué)習(xí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一些編程技巧?？梢园言趯W(xué)校中學(xué)到的操作系統(tǒng)抽象概念具體化。具有很強(qiáng)的實(shí)用性。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的好例子。2如何學(xué)習(xí)C/OS-IIC/OS-II大部分源代碼用c語(yǔ)言所寫(xiě)，少部分和具體硬件相關(guān)的，用匯編語(yǔ)言所寫(xiě)。必須熟悉c語(yǔ)言語(yǔ)法。數(shù)組函數(shù)結(jié)構(gòu)指針預(yù)處理實(shí)踐，實(shí)踐，再實(shí)踐！必須結(jié)合理論，閱讀源代碼并調(diào)試相關(guān)代碼。3數(shù)據(jù)類型與

2、運(yùn)算符(選講-C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）宏定義：用一個(gè)指定的標(biāo)識(shí)符來(lái)代表一個(gè)字符串。 #define 標(biāo)識(shí)符 字符串宏定義的基本思想：一次定義，多次使用。優(yōu)點(diǎn)可以用簡(jiǎn)短的標(biāo)識(shí)符來(lái)代替長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，減少需要輸入的字符數(shù)；用易于理解的標(biāo)識(shí)符來(lái)代替那些不太好記的具體的數(shù)據(jù)，便于程序的理解和維護(hù)；有利于程序的修改和升級(jí)，當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)需要修改時(shí)，只需改動(dòng)宏定義之處即可。例如：#define PI 3.1415926 指定用標(biāo)識(shí)符PI來(lái)代替“3.1415926”這個(gè)字符串，在編譯預(yù)處理時(shí)，將程序中出現(xiàn)的所有PI都用“3.1415926”代替。4if ( myMoney 80.0 ) myShoes +; myMoney =

3、myMoney 80.0;#define COST_OF_SHOES 80.0if(myMoney COST_OF_SHOES) myShoes +; myMoney = myMoney COST_OF_SHOES;不用此法一次定義多次使用數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）5數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）將變量聲明為常量有時(shí)希望在運(yùn)行過(guò)程中，某些變量的值保存不變。以變量的形式來(lái)定義的一個(gè)量，且使用修飾符const來(lái)聲明變量。例如：const int x = 1。算術(shù)運(yùn)算整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算 最快帶有硬件支持的浮點(diǎn)運(yùn)算 較慢用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)運(yùn)算 非常慢， sin, log, sqrt,

4、etc快慢6數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）算術(shù)運(yùn)算的結(jié)論：盡量使用整數(shù)（char、short、int和long）的加法和減法；如果沒(méi)有硬件支持，盡量避免使用乘法；盡量避免使用除法；如果沒(méi)有硬件支持，盡量避免使用浮點(diǎn)數(shù)；數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)使用得越少越好。7數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）位運(yùn)算與操作： &或操作： |異或操作： 取反操作： 右移操作： 左移操作： 舉例：a |= 0 x4b &= 0 x4 c &= (1 3)d = (1 = 2 / 把第2位設(shè)置為1 / 把第2位設(shè)置為0 / 把第3位設(shè)置為0 / 把第5位反轉(zhuǎn)/ 把 e 除以48數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）in

5、t x, num = 99, count = 0;x = num;while(x) count +; x = x & (x 1);printf(result: %d, count);result: 4程序舉例：9函數(shù)原型main ( ) 函數(shù)調(diào)用 函數(shù)定義函數(shù)的使用模式聲明該函數(shù)定義一個(gè)函數(shù)使用該函數(shù)函數(shù)(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）10操作系統(tǒng)代碼棧幀2棧幀1全局變量?jī)?nèi)存分布狀況全局變量區(qū)域靜態(tài)分配棧自動(dòng)分配堆動(dòng)態(tài)分配函數(shù)(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）11int z;void main( ) int x, y; x = 1; y = 2; z = x + y;main( ) z = 0全局變量區(qū)域棧幀(ma

6、in)x = y =程序123主函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）程序代碼在內(nèi)存中的分布12函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）控制流 程序當(dāng)前執(zhí)行位置的流向；數(shù)據(jù)流 函數(shù)調(diào)用發(fā)生及結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)在函數(shù)之間流轉(zhuǎn)的過(guò)程。當(dāng)一個(gè)函數(shù)被調(diào)用時(shí)：在內(nèi)存的?？臻g當(dāng)中為其分配一個(gè)棧幀，用來(lái)存放該函數(shù)的形參和局部變量；把實(shí)參變量的值復(fù)制到相應(yīng)的形參變量；控制轉(zhuǎn)移到該函數(shù)的起始位置；該函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行；控制流和返回值返回到函數(shù)調(diào)用點(diǎn)。13void main( ) double x, y, z; y = 6.0; x = Area( y / 3.0 ); . z = 3.4 * Area(7.88); ./* 給定半

7、徑，計(jì)算一個(gè)圓的面積 */double Area(double r) return(3.14 * r * r);控制流的變化函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）14int Times2(int value);main ( ) int number; printf(“請(qǐng)輸入一個(gè)整數(shù)：”); scanf(“%d”, &number); printf(“該數(shù)的兩倍是：%d”, Times2(number);int Times2(int value) return(2 * value);main的棧幀number3函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）棧幀的分配15int Times2(int value)

8、;main ( ) int number; printf(“請(qǐng)輸入一個(gè)整數(shù)：”); scanf(“%d”, &number); printf(“該數(shù)的兩倍是：%d”, Times2(number);int Times2(int value) return(2 * value);main的棧幀number3Times2valueTimes2也得到一個(gè)棧幀,它的參數(shù)看成局部變量函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）棧幀的分配16int Times2(int value);main ( ) int number; printf(“請(qǐng)輸入一個(gè)整數(shù)：”); scanf(“%d”, &number); pri

9、ntf(“該數(shù)的兩倍是：%d”, Times2(number);int Times2(int value) return(2 * value);main的棧幀number3Times2value函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）棧幀的分配3“值傳遞”, 把實(shí)參的值傳給形參。17int Times2(int value);main ( ) int number; printf(“請(qǐng)輸入一個(gè)整數(shù)：”); scanf(“%d”, &number); printf(“該數(shù)的兩倍是：%d”, Times2(number);int Times2(int value) return(2 * value);m

10、ain的棧幀number3函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）棧幀的分配Times2value3把Times2的棧幀疊在主函數(shù)的棧幀之上，表示在執(zhí)行Times2函數(shù)時(shí)，主函數(shù)中的變量是不可見(jiàn)的。18int Times2(int value);main ( ) int number; printf(“請(qǐng)輸入一個(gè)整數(shù)：”); scanf(“%d”, &number); printf(“該數(shù)的兩倍是：%d”, Times2(number);int Times2(int value) return(2 * value);main的棧幀number3函數(shù)調(diào)用過(guò)程(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）棧幀的分配Times2

11、value36Times2函數(shù)的返回值被放在函數(shù)的調(diào)用位置上，然后，分配給Times2函數(shù)的堆棧區(qū)域被釋放。19/* 全局變量，固定地址，其他源文件可見(jiàn) */int global_static;/* 靜態(tài)全局變量，固定地址，但只在本文件中可見(jiàn) */static int file_static;/* 函數(shù)參數(shù)：位于棧幀當(dāng)中，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，動(dòng)態(tài)釋放 */int foo ( int auto_param ) /*靜態(tài)局部變量，固定地址，只在本函數(shù)中可見(jiàn) */ static int func_static; /* 普通局部變量，位于棧幀當(dāng)中，只在本函數(shù)可見(jiàn) */ int auto_i, auto_a10;

12、 /* 動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存空間，位于堆當(dāng)中 */ double *auto_d = malloc(sizeof(double)*5); return auto_i;變量的存儲(chǔ)與作用域(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）20可重入函數(shù)(選講- C語(yǔ)言復(fù)習(xí)）可以被一個(gè)以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的破壞可重入型函數(shù)任何時(shí)候都可被中斷，一段時(shí)間以后又可以運(yùn)行，而相應(yīng)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失?？芍厝胄秃瘮?shù)只使用局部變量，即變量保存在CPU寄存器或棧中?？芍厝牒瘮?shù)舉例：void swap(int *x, int *y) int temp; temp = *x; *x = *y; *y = temp; 21不可重入函數(shù)(選講- C語(yǔ)言

13、復(fù)習(xí)）不可重入函數(shù)舉例：int temp;void swap ( int *x, int *y ) temp = *x; *x = *y; *y = temp; 22本章提要1324任務(wù)的要素計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并發(fā)操作系統(tǒng)的概念235C/OS-II的任務(wù)管理（任務(wù)調(diào)度）6C/OS-II的中斷和時(shí)鐘7C/OS-II的任務(wù)的同步與通信8C/OS-II的移值1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念24操作系統(tǒng)是一種為應(yīng)用程序提供服務(wù)的系統(tǒng)軟件，是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。從層次來(lái)看，操作系統(tǒng)位于計(jì)算機(jī)硬件之上，應(yīng)用軟件之下。所以也把它叫做應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)。什么是計(jì)算機(jī)操作系

14、統(tǒng)（Operating System，OS）25它在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，屏蔽了計(jì)算機(jī)硬件工作的一些細(xì)節(jié)，并對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行有效的管理。通過(guò)提供函數(shù)（應(yīng)用程序接口（API），從而使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)人員得以在一個(gè)友好的平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，大大地提高了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)效率。 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的作用從用戶的角度來(lái)看，它就是一大堆函數(shù)（API和系統(tǒng)函數(shù)），用戶可以調(diào)用（普通調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用）它們來(lái)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行操作。 API（Application Programming Intereface）計(jì)算機(jī)硬件用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的硬件抽象層高級(jí)語(yǔ)言的接口應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)26操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作

15、系統(tǒng)的功能處理器的管理存儲(chǔ)管理網(wǎng)絡(luò)和通信的管理I/O設(shè)備管理文件管理任務(wù)管理 總之，需要一大堆表27本章提要2操作系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)28OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)組）數(shù)組同一數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合；占用連續(xù)內(nèi)存空間；其中的所有元素名稱都相同，但每個(gè)元素都有一個(gè)編號(hào)；元素名去掉編號(hào)（下標(biāo)），得到的是數(shù)組名，數(shù)組名是個(gè)指針。int a10a0a1a2a3a9aa+1使用上的特點(diǎn)：分類存放。檢索速度快且恒定；缺點(diǎn)：占用連續(xù)空間大。a+2a+3a+9應(yīng)用：記錄同類事物的表29OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（位圖）位圖是數(shù)組的一種特殊應(yīng)用a10 （可以記錄80個(gè)事物的狀態(tài)）a0a1a2a3a9aa+1a+2a+3a+

16、9應(yīng)用：登記表1/0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D030不同數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合；占用連續(xù)內(nèi)存空間；struct Student int age; char *name; char sex;使用上的特點(diǎn)：不分類存放，但用來(lái)描述同一事物；檢索速度快且恒定；應(yīng)用：通訊錄中的一條記錄、工具箱等等OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）31next next 兩個(gè)元素的鏈表struct Student Student *next int age; char*name; char sex;同數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)的集合。不占用連續(xù)內(nèi)存空間。使用上的特點(diǎn)：分類存放，但空間上不連續(xù)（不需要大量的連續(xù)存儲(chǔ)空間）；檢索速

17、度慢，且耗費(fèi)的時(shí)間不固定；應(yīng)用：存放大量的較大的表，類似檔案柜OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（鏈表）32按照先進(jìn)先出的規(guī)則組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用數(shù)組，也可以用鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要用于對(duì)象的排隊(duì)OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（隊(duì)列）33按照先進(jìn)后出的規(guī)則組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要用數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要用于程序模塊的嵌套運(yùn)行。OS中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（堆棧）34本章提要3并發(fā)操作系統(tǒng)的概念35什么是多任務(wù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是能用一個(gè)處理器并發(fā)（注意，不是同時(shí)！ ）地運(yùn)行多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。并發(fā)：由同一個(gè)處理器輪換地運(yùn)行多個(gè)程序。或者說(shuō)是由多個(gè)程序輪流占用處理器這個(gè)資源。且在占用這個(gè)資源期間，并不一定能夠把程序運(yùn)行完畢。并發(fā)過(guò)程示意

18、圖處理器如何進(jìn)行程序的切換？36程序的切換（兩句話）處理器對(duì)PC最忠誠(chéng)，PC讓它干啥，它就干啥。PC是個(gè)指路器，它指向哪兒，處理器就去哪兒。由此，哪個(gè)程序占有了PC，哪個(gè)程序就占有了處理器。 = PC深刻地理解PC是理解系統(tǒng)進(jìn)行程序切換動(dòng)作的關(guān)鍵。37所謂切換就是：PC 目標(biāo)地址如何操作PC指令：不同的計(jì)算機(jī)類型的指令是不同的。數(shù)據(jù)傳送指令子程序返回指令（由堆棧彈出）中斷服務(wù)程序返回指令（由堆棧彈出）38小結(jié)系統(tǒng)是通過(guò)把待運(yùn)行程序的地址賦予程序計(jì)數(shù)器PC來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的切換的。39任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP任務(wù)運(yùn)行時(shí)與處理器之間的關(guān)系處理器通過(guò)兩個(gè)指針寄存器（PC和SP）來(lái)與任務(wù)代碼和任務(wù)

19、堆棧建立聯(lián)系并運(yùn)行它寄存器組程序運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行環(huán)境包括了兩部分：處理器中的運(yùn)行環(huán)境和內(nèi)存中的運(yùn)行環(huán)境40任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存處理器PCSP多任務(wù)時(shí)的問(wèn)題任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存任務(wù)代碼任務(wù)堆棧內(nèi)存？當(dāng)有多個(gè)任務(wù)時(shí)，處理器中的運(yùn)行環(huán)境應(yīng)該怎么辦？寄存器組程序運(yùn)行環(huán)境41程序 虛擬處理器PCSP 虛擬處理器PCSP 虛擬處理器PCSP 虛擬處理器PCSP多任務(wù)時(shí)任務(wù)與處理器之間關(guān)系的處理程序在內(nèi)存中為每個(gè)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的處理器（處理器部分的運(yùn)行環(huán)境由操作系統(tǒng)的調(diào)度器按某種規(guī)則來(lái)進(jìn)行這兩個(gè)復(fù)制工作復(fù)制當(dāng)需要運(yùn)行某個(gè)任務(wù)時(shí)就把該任務(wù)的虛擬處理器復(fù)制到實(shí)際處理器中復(fù)制當(dāng)需要中止當(dāng)前任務(wù)時(shí)，則把任務(wù)對(duì)應(yīng)的虛擬處理器復(fù)制到內(nèi)存復(fù)制再把另一個(gè)需要運(yùn)行的任務(wù)的虛擬處理器復(fù)制到實(shí)際處理器中寄存器組寄存器組也就是說(shuō)，任務(wù)的切換是任務(wù)運(yùn)行環(huán)境的切換。42虛擬處理器虛擬處理器應(yīng)該存儲(chǔ)的主要信息：1。程序的斷點(diǎn)地址（PC）2。任務(wù)堆棧指針（SP）3。程序狀態(tài)字寄存器（PSW）4。通用寄存器內(nèi)容5。函數(shù)調(diào)用信息（已存在于堆棧）另外再用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存任務(wù)堆棧指針（SP），這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做任務(wù)控制塊，它除了保存任務(wù)堆棧指針之外還要負(fù)責(zé)保存任務(wù)其他信息。這些內(nèi)容通常保存在任務(wù)堆棧中，這些內(nèi)容也常叫做任務(wù)的上下文。任務(wù)控制塊是由