微實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄摘要 11.1選題的目的和意義 31.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 31.2.1ARM處理器 31.2.2操作系統(tǒng) 52系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.1可行性分析 72.2需求分析 72.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 82.3.1總體結(jié)構(gòu) 82.3.2RTOS內(nèi)核處理流程 83系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和工具 103.1開發(fā)環(huán)境 103.2開發(fā)工具 104系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 104.1任務(wù)創(chuàng)建模塊 114.2任務(wù)調(diào)度模塊 124.3任務(wù)通信模塊 125系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn) 135.1任務(wù)創(chuàng)建模塊 135.1.1任務(wù) 135.1.2任務(wù)狀態(tài) 135.1.3任務(wù)控制塊 145.1.4任務(wù)就緒表 155.2任務(wù)調(diào)度模塊 175.2.1基于優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度 175.2.2時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù) 185.3任務(wù)間的通信 196系統(tǒng)測(cè)試 216.1項(xiàng)目一：內(nèi)核移植到周立功LPC2138測(cè)試及RS232串口的實(shí)現(xiàn) 216.2項(xiàng)目二：內(nèi)核多任務(wù)的搶占調(diào)度及任務(wù)的睡眠機(jī)制 226.3項(xiàng)目三：任務(wù)管理測(cè)試 226.4項(xiàng)目四：任務(wù)間通信測(cè)試-互斥信號(hào)量 227總結(jié)和展望 22Abstract 24參考文獻(xiàn) 25摘要微實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)田德偉（德州學(xué)院計(jì)算機(jī)系，山東德州253023）摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在人們的生活中的作用日益凸顯。嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式開發(fā)中也逐步得到了開發(fā)人員的關(guān)注，如何在保證嵌入式系統(tǒng)的效率的前提下，降低開發(fā)成本，成為諸多廠商關(guān)注的焦點(diǎn)。該微實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與現(xiàn)行l(wèi)inux系統(tǒng)具有相比，具有更高實(shí)時(shí)性；與μ/COS-ii相比內(nèi)核更精簡(jiǎn)、在控制產(chǎn)品成本中有巨大優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)主要針對(duì)低端微處理器平臺(tái)，旨在降低開發(fā)成本同時(shí)提高嵌入式系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備管理效率。該系統(tǒng)支持八個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)優(yōu)先級(jí)可以創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，任務(wù)間同步采用信號(hào)量機(jī)制。關(guān)鍵字：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μ/COS-ii，嵌入式系統(tǒng)

1引言1.1選題的目的和意義隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，芯片功能更加強(qiáng)大，微嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必將成為嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，這不僅能降低成本，縮小產(chǎn)品體積，還能增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)，軟件硬件的緊密結(jié)合，嵌入式軟件與硬件界線更加模糊，嵌入式軟件時(shí)常以硬件形態(tài)存在，這種方式可提高實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)可維護(hù)性。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，有資源開銷很少的IC卡操作系統(tǒng)，也有功能較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。這些嵌入式操作系統(tǒng)從功能到性能各具特色，為各種硬件環(huán)境及應(yīng)用提供了相應(yīng)的支持和服務(wù)。目前市場(chǎng)上共有幾十種操作系統(tǒng)，有多任務(wù)系統(tǒng)，也有單任務(wù)系統(tǒng)；有實(shí)時(shí)系統(tǒng)系統(tǒng)，也有分時(shí)系統(tǒng)?？傊煌瑥S商推出的操作系統(tǒng)或多或少都有差異，但許多嵌入式操作系統(tǒng)一般具有如下一些內(nèi)容和功能：系統(tǒng)核心、窗口圖形系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)將有以下方向趨勢(shì)：1.隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，芯片功能更加強(qiáng)大，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必將成為嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，這不僅能降低成本，縮小產(chǎn)品體積，還能增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)，軟件硬件的緊密結(jié)合，嵌入式軟件與硬件界線更加模糊，嵌入式軟件時(shí)常以硬件形態(tài)存在，這種方式可提高實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)可維護(hù)性。2.嵌入式操作系統(tǒng)會(huì)與嵌入應(yīng)用軟件協(xié)同發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)中的重要角色包括嵌入式應(yīng)用軟件，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域千差萬別，只有充分重視應(yīng)用軟件的發(fā)展，才能滿足豐富多彩的應(yīng)用要求。1.2.1ARM處理器ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗小的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。ARM處理器共有7種運(yùn)行模式：用戶模式（user，use）正常程序執(zhí)行模式快速中斷模式（fiq）用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理外部中斷模式（irq）用于通常的中斷處理管理模式（sve）操作系統(tǒng)使用的一種保護(hù)模式數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)未定義指令終止模式（und）用于支持通過軟件方針硬件的協(xié)處理器系統(tǒng)模式（sys）用于運(yùn)行特權(quán)級(jí)的操作系統(tǒng)任務(wù)除了用戶模式之外的6種處理器模式稱為特權(quán)模式（privilegedmodes）。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意的進(jìn)行處理器模式切換。除系統(tǒng)模式外，其他5種特權(quán)模式又稱為異常模式。處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下。這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行處理器處理器模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，擁護(hù)模式下的寄存器（保存了程序運(yùn)行狀態(tài)）不被破壞。系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用擁護(hù)模式的寄存組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞。ARM處理器含有37個(gè)寄存器，這些寄存器包括以下兩類寄存器。（1）31個(gè)通用寄存器：包括程序計(jì)數(shù)器PC等，這些寄存器都是32位寄存器。（2）6個(gè)狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器也是32位的寄存器，但是只使用了其中的12位。在ARM處理器的7種模式下都有一組對(duì)應(yīng)的寄存器組。在任意時(shí)刻，可見的寄存器組包括15個(gè)通用寄存器R0～R14、一個(gè)或兩個(gè)狀態(tài)寄存器和PC。在所有的寄存器中，有些是各種模式下共用的同一個(gè)物理寄存器，有些是各種模式自己獨(dú)立擁有的物理寄存器。七種運(yùn)行模式下寄存器分配如下圖1.1所示：圖1-11.2.2操作系統(tǒng)目前的操作系統(tǒng)種類繁多，很難用單一標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一分類。根據(jù)操作系統(tǒng)的使用環(huán)境和對(duì)作業(yè)處理方式來考慮，可分為批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)。下面介紹一操作系統(tǒng)的五大類型：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)。1.批處理操作系統(tǒng)批處理(BatchProcessing)操作系統(tǒng)的工作方式是：用戶將作業(yè)交給系統(tǒng)操作員，系統(tǒng)操作員將許多用戶的作業(yè)組成一批作業(yè)，之后輸入到計(jì)算機(jī)中，在系統(tǒng)中形成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的連續(xù)的作業(yè)流，然后啟動(dòng)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)、依次執(zhí)行每個(gè)作業(yè)，最后由操作員將作業(yè)結(jié)果交給用戶。批處理操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是：多道和成批處理。2.分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)(TimeSharing)操作系統(tǒng)的工作方式是：一臺(tái)主機(jī)連接了若干個(gè)終端，每個(gè)終端有一個(gè)用戶在使用。用戶交互式地向系統(tǒng)提出命令請(qǐng)求，系統(tǒng)接受每個(gè)用戶的命令，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式處理服務(wù)請(qǐng)求，并通過交互方式在終端上向用戶顯示結(jié)果。用戶根據(jù)上步結(jié)果發(fā)出下道命。分時(shí)操作系統(tǒng)將CPU的時(shí)間劃分成若干個(gè)片段，稱為時(shí)間片。操作系統(tǒng)以時(shí)間片為單位，輪流為每個(gè)終端用戶服務(wù)。每個(gè)用戶輪流使用一個(gè)時(shí)間片而使每個(gè)用戶并不感到有別的用戶存在。分時(shí)系統(tǒng)具有多路性、交互性、“獨(dú)占”性和及時(shí)性的特征。多路性指，伺時(shí)有多個(gè)用戶使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，宏觀上看是多個(gè)人同時(shí)使用一個(gè)CPU，微觀上是多個(gè)人在不同時(shí)刻輪流使用CPU。交互性是指，用戶根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)一步提出新請(qǐng)求(用戶直接干預(yù)每一步)?！蔼?dú)占”性是指，用戶感覺不到計(jì)算機(jī)為其他人服務(wù)，就像整個(gè)系統(tǒng)為他所獨(dú)占。及時(shí)性指，系統(tǒng)對(duì)用戶提出的請(qǐng)求及時(shí)響應(yīng)。它支持位于不同終端的多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，彼此獨(dú)立互不干擾，用戶感到好像一臺(tái)計(jì)算機(jī)全為他所用。常見的通用操作系統(tǒng)是分時(shí)系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)的結(jié)合。其原則是：分時(shí)優(yōu)先，批處理在后。“前臺(tái)”響應(yīng)需頻繁交互的作業(yè)，如終端的要求；“后臺(tái)”處理時(shí)間性要求不強(qiáng)的作業(yè)。3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使計(jì)算機(jī)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求在規(guī)定的嚴(yán)格時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地工作的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要追求的目標(biāo)是：對(duì)外部請(qǐng)求在嚴(yán)格時(shí)間范圍內(nèi)做出反應(yīng)，有高可靠性和完整性。其主要特點(diǎn)是資源的分配和調(diào)度首先要考慮實(shí)時(shí)性然后才是效率。此外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。4.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的，是在各種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上按網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的軟件，包括網(wǎng)絡(luò)管理、通信、安全、資源共享和各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。其目標(biāo)是相互通信及資源共享。在其支持下，網(wǎng)絡(luò)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)能互相通信和共享資源。其主要特點(diǎn)是與網(wǎng)絡(luò)的硬件相結(jié)合來完成網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)。5.分布式操作系統(tǒng)它是為分布計(jì)算系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)。大量的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)被連結(jié)在一起，可以獲得極高的運(yùn)算能力及廣泛的數(shù)據(jù)共享。這種系統(tǒng)被稱作分布式系統(tǒng)(DistributedSystem)。它在資源管理，通信控制和操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等方面都與其他操作系統(tǒng)有較大的區(qū)別。由于分布計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源分布于系統(tǒng)的不同計(jì)算機(jī)上，操作系統(tǒng)對(duì)用戶的資源需求不能像一般的操作系統(tǒng)那樣等待有資源時(shí)直接分配的簡(jiǎn)單做法而是要在系統(tǒng)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)上搜索，找到所需資源后才可進(jìn)行分配。對(duì)于有些資源，如具有多個(gè)副本的文件，還必須考慮一致性。所謂一致性是指若干個(gè)用戶對(duì)同一個(gè)文件所同時(shí)讀出的數(shù)據(jù)是一致的。為了保證一致性，操作系統(tǒng)須控制文件的讀、寫、操作，使得多個(gè)用戶可同時(shí)讀一個(gè)文件，而任一時(shí)刻最多只能有一個(gè)用戶在修改文件。分布操作系統(tǒng)的通信功能類似于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。由于分布計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不像網(wǎng)絡(luò)分布得很廣，同時(shí)分布操作系統(tǒng)還要支持并行處理，因此它提供的通信機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供的有所不同，它要求通信速度高。分布操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不同于其他操作系統(tǒng)，它分布于系統(tǒng)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)上，能并行地處理用戶的各種需求，有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1可行性分析（1）技術(shù)可行性：根據(jù)開發(fā)人員提供的系統(tǒng)函數(shù)接口、實(shí)時(shí)性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)條件，從技術(shù)的角度研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可行性。（2）經(jīng)濟(jì)可行性：經(jīng)濟(jì)可行性是可行性研究的重要組成部分，它用于評(píng)估基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性，給出系統(tǒng)開發(fā)的成本論證。本系統(tǒng)是為保險(xiǎn)公司信息管理而做的系統(tǒng)，裝上該應(yīng)用系統(tǒng)后即可使用，在系統(tǒng)移植方面簡(jiǎn)單，對(duì)硬件設(shè)備的要求進(jìn)一步降低，節(jié)約了不必要的支出，所帶來的效益大于系統(tǒng)的開發(fā)成本，在經(jīng)濟(jì)上完全可行。（3）法律可行性：研究在系統(tǒng)開發(fā)過程中可能涉及的各種合同、侵權(quán)、責(zé)任以及各種與法律相關(guān)的抵觸問題。本系統(tǒng)的開發(fā)不觸犯國家的任何法律規(guī)章，不涉及侵權(quán)等內(nèi)容，法律上完全可行。綜上所述，該系統(tǒng)符合所有的開發(fā)目標(biāo)，能夠保證系統(tǒng)開發(fā)有一定的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。因此，該微實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)是可行的。2.2需求分析1．參考硬件平臺(tái)為：ARM92410。實(shí)際上，也可用其他博創(chuàng)科技系列CPU和實(shí)驗(yàn)班，只要CPU有足夠的RAM、Flash存儲(chǔ)器和一個(gè)串口擴(kuò)展就可以了。但與ARM92410區(qū)別越小越好，最終驗(yàn)證功能在都統(tǒng)一在ARM92410上進(jìn)行測(cè)試；2．硬件抽象層的接口遵循μC/OS-II的借口規(guī)范；3．操作系統(tǒng)的調(diào)用采用函數(shù)調(diào)用方式，不用中斷陷入方式；4．每個(gè)任務(wù)擁有自己獨(dú)立的任務(wù)堆棧，作為任務(wù)的私有存儲(chǔ)區(qū)；5．同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不多于8個(gè)，空閑任務(wù)編號(hào)為0；7．串口接口參數(shù)：波特率115200，8位數(shù)據(jù)，1為停止位，無硬件流控制；8．任務(wù)優(yōu)先級(jí)級(jí)數(shù)多于8級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)為0，最低優(yōu)先級(jí)為7，空閑任務(wù)優(yōu)先級(jí)為7。2.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)2.3.1總體結(jié)構(gòu)圖2-11.硬件層硬件層主要包括：含量Flash存儲(chǔ)器、串口RS232等，它是保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指定任務(wù)的最底層的部件。2.驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)層的作用是給操作系統(tǒng)提供接口，使其能管理相應(yīng)的硬件。3.RTOS內(nèi)核RTOS內(nèi)核主要任務(wù)是完成多任務(wù)之間的調(diào)度和同步。4.應(yīng)用層在用戶的應(yīng)用程序中可以創(chuàng)建用戶自己的任務(wù)。任務(wù)之間的通信主要依賴信號(hào)量。2.3.2RTOS內(nèi)核處理流程1.RTOS內(nèi)核結(jié)構(gòu)框架圖2-22.查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)流程圖2-33.任務(wù)通信中使等待狀態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)從等待列表中刪除，并把其放入就緒列表中流程如下：圖2-43系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和工具3.1開發(fā)環(huán)境硬件平臺(tái)：博創(chuàng)科技ARM92410，也可用其他博創(chuàng)科技系列CPU和實(shí)驗(yàn)板，只要CPU有足夠的RAM、Flash存儲(chǔ)器和一個(gè)串口擴(kuò)展就可以了。但與ARM92410區(qū)別越小越好，最終的驗(yàn)證都統(tǒng)一在ARM92410上進(jìn)行。內(nèi)存：4MBROM：64MB開發(fā)工具：ADS1.23.2開發(fā)工具ADS1.2ADS是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境軟件，他的功能非常強(qiáng)大。他的前身是SDT，SDT是ARM公司幾年前的開發(fā)環(huán)境軟件，目前SDT早已經(jīng)不再升級(jí)。ADS包括了四個(gè)模塊分別是：SIMULATOR；c編譯器；實(shí)時(shí)調(diào)試器；應(yīng)用函數(shù)庫。ADS的編譯器調(diào)試器較SDT都有了非常大的改觀，ADS1.2提供完整的WINDOWS界面開發(fā)環(huán)境。c編譯器效率極高，支持c以及c++，使工程師可以很方便的使用C語言進(jìn)行開發(fā)。提供軟件模擬仿真功能，使沒有Emulators的學(xué)習(xí)者也能夠熟悉ARM的指令系統(tǒng)。配合FFT-ICE使用，ADS1.2提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)調(diào)試跟蹤功能,片內(nèi)運(yùn)行情況盡在掌握。ADS1.2需要硬件支持才能發(fā)揮強(qiáng)大功能。目前支持的硬件調(diào)試器有Multi-ICE以及兼容Multi-ICE的調(diào)試工具如FFT-ICE。4系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)該內(nèi)核設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，以算法為中心，從處理到處理的數(shù)據(jù)流。內(nèi)核一級(jí)數(shù)據(jù)流圖如圖4-1所示：圖4-14.1任務(wù)創(chuàng)建模塊首先，創(chuàng)建任務(wù)taskCreate()函數(shù)從空閑TCB池取得空閑的TCB，并根據(jù)用戶分配堆棧的大小確定任務(wù)堆棧的棧頂指針，調(diào)用任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化，返回任務(wù)堆棧的棧頂指針；然后調(diào)用函數(shù)OSTCBInit()完成對(duì)任務(wù)控制塊的初始化工作；最后把任務(wù)控制塊存放任務(wù)就緒列表中，具體流程如圖4-2所示：圖4-24.2任務(wù)調(diào)度模塊首先taskStart()函數(shù)根據(jù)任務(wù)編號(hào)和任務(wù)列表得到任務(wù)控制塊，把任務(wù)的編號(hào)和優(yōu)先級(jí)放存放到OSIDPrioTbl[]和就緒列表中，然后啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器，根據(jù)OSIDPrioTbl[]和就緒列表查找進(jìn)入就緒態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，最后調(diào)用函數(shù)OS_TASK_SW()完成任務(wù)切換。任務(wù)調(diào)度具體流程如圖4-3所示：圖4-34.3任務(wù)通信模塊首先，semCreate()函數(shù)從空閑的OS_EVENT池中取得一個(gè)空閑事件控制塊，并完成對(duì)其的初步初始化，將其放到事件列表中；然后，當(dāng)前任務(wù)調(diào)用函數(shù)semTake()時(shí)，檢查互斥信號(hào)量是否可用，如果可用當(dāng)前任務(wù)占用該信號(hào)量，否則調(diào)用OSEventTaskWait()函數(shù)將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表移除存放到事件等待列表中；最后，如果占用該互斥信號(hào)量任務(wù)的任務(wù)調(diào)用semGive()釋放信號(hào)量，調(diào)用函數(shù)OSEventTaskRdy()，查找等待該互斥信號(hào)量優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，將其從等待列表移除存放到就緒列表中，等待任務(wù)調(diào)度。具體數(shù)據(jù)流程如圖4-4所示：圖4-45系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)5.1任務(wù)創(chuàng)建模塊5.1.1任務(wù)一個(gè)任務(wù)通常是一個(gè)無限的循環(huán)。一個(gè)任務(wù)看起來像其它C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，任務(wù)返回類型必須定義為void型，但是任務(wù)是絕不會(huì)返回的。任務(wù)可以在一次執(zhí)行完畢之后被刪除，并不是任務(wù)代碼被刪除，只是內(nèi)核不會(huì)再理會(huì)該任務(wù)的代碼，該任務(wù)再也不能運(yùn)行了。5.1.2任務(wù)狀態(tài)圖5-1是RTOS內(nèi)核控制下的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換土，在任一給定時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)一定是在這六種狀態(tài)之一。圖5-1僵死狀態(tài)（OS_STAT_DORMANT）指任務(wù)駐留在程序空間中，還沒有交給RTOS管理，把任務(wù)交給RTOS管理通過函數(shù)taskStart()來實(shí)現(xiàn)。任務(wù)一旦被創(chuàng)建就處于僵死狀態(tài)，通過taskStart()使任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。任何任務(wù)的創(chuàng)建可以是在多任務(wù)運(yùn)行之前，也可以是動(dòng)態(tài)地被一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)建立。如果一個(gè)任務(wù)是被另一個(gè)任務(wù)建立的，而這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于建立它的那個(gè)任務(wù)，則這個(gè)剛剛建立的任務(wù)將立即得到CPU的控制權(quán)。一個(gè)任務(wù)可以通過taskDelete()返回到僵死狀態(tài)，也可以通過調(diào)用該函數(shù)使另一個(gè)任務(wù)進(jìn)入僵死狀態(tài)。正在運(yùn)行的任務(wù)可以通過調(diào)用函數(shù)taskSleep()使自身主動(dòng)放棄CPU控制權(quán)，休眠一段時(shí)間，這個(gè)任務(wù)進(jìn)入睡眠態(tài)，等待這段時(shí)間過去，下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的就緒態(tài)任務(wù)立即獲得CPU的控制權(quán)。等待的時(shí)間過去以后，由系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSTimeTick()使處于睡眠狀態(tài)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。正在運(yùn)行的任務(wù)等待某一事件時(shí)要等待，當(dāng)任務(wù)因等待事件被阻塞，下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)立即得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)?shù)却氖录派?，阻塞狀態(tài)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。事件發(fā)生的報(bào)告可能來自另一個(gè)任務(wù)，也可能來自中斷服務(wù)子程序。正在運(yùn)行的任務(wù)是可以被中斷的，除非該任務(wù)將中斷關(guān)了或者RTOS將中斷關(guān)了。被中斷了的任務(wù)就進(jìn)入了中斷服務(wù)態(tài)（ISR）。響應(yīng)中斷時(shí)，正在執(zhí)行的任務(wù)被掛起，中斷服務(wù)子程序控制了CPU的使用權(quán)。中斷服務(wù)子程序可能會(huì)報(bào)告一個(gè)或多個(gè)事件的發(fā)生，而使一個(gè)或多個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。在這種情況下，從中斷服務(wù)子程序返回之前，RTOS要判定被中斷的任務(wù)是否還是就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的。如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，則新進(jìn)入就緒態(tài)的這個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)將得以運(yùn)行；否則原來被中斷了的任務(wù)才能繼續(xù)運(yùn)行。5.1.3任務(wù)控制塊為了避免動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配引起的問題，該RTOS內(nèi)核采用內(nèi)存靜態(tài)分配的方式，同時(shí)為了減少對(duì)內(nèi)存的需求量引入了回收和復(fù)用的機(jī)制。任務(wù)控制塊（OS_TCB）回收使用和任務(wù)編號(hào)（tid）復(fù)用的分配機(jī)制。在任務(wù)控制塊初始化時(shí)獲得一個(gè)空閑的TCB方式如圖5-2下：圖5-2ptcb=OSTCBFreeList;/*獲得空閑的TCB*/OSTCBFreeList=ptcb->OSTCBNext;/*修改空閑TCB鏈表的指針*/在任務(wù)被刪除時(shí)回收TCB，如圖5-3所示：圖5-3ptcb->OSTCBNext=OSTCBFreeList;/*回收TCB所占用的資源*/OSTCBFreeList=ptcb; /*修改空閑TCB鏈表的指針*/為了降低任務(wù)列表對(duì)內(nèi)存的需求量，引入了任務(wù)編號(hào)的復(fù)用機(jī)制，任務(wù)的編號(hào)與系統(tǒng)最多運(yùn)行的任務(wù)有關(guān)，而與其他的優(yōu)先級(jí)無關(guān)，從而減少了RTOS對(duì)RAM的需求量。任務(wù)編號(hào)的復(fù)用機(jī)制如下所示：ptcb表示任務(wù)控制塊ptcb=OSTCBFreeList;/*從TCB表中獲得空閑的TCB*/任務(wù)控制塊OS_TCB中的幾個(gè)成員的算法:OSTCBX =priority&0x07;OSTCBBitX=OSMapTbl[priority&0x07];上述變量主要用于加速任務(wù)就緒態(tài)的過程或進(jìn)入等待事件發(fā)生狀態(tài)的過程（避免在運(yùn)行中去計(jì)算這些值）。這些值是在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)算好的，或者是在改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)時(shí)算出的。5.1.4任務(wù)就緒表每個(gè)任務(wù)被賦予不同的優(yōu)先級(jí)，從0級(jí)到最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PRIO，包括0和OS_LOWEST_PRIO在內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)初始化的時(shí)候，最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PRIO總是被賦給空閑任務(wù)idletask。注意，最多任務(wù)數(shù)目OS_MAX_TASK和最低優(yōu)先級(jí)時(shí)沒有關(guān)系的。每個(gè)任務(wù)的就緒態(tài)都放入就緒表中，OSRdyTbl中的相應(yīng)元素的相應(yīng)位也置位。就緒表OSRdyTbl[]數(shù)組的大小取決于OS_LOWEST_PRIO。當(dāng)用戶的應(yīng)用程序中的任務(wù)數(shù)目比較少時(shí)，減少OS_LOWEST_PRIO的值可以降低RTOS對(duì)RAM的需求量。為了確定下次改哪個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行了，內(nèi)核調(diào)度器總是將OS_LOWEST_PRIO在就緒表中相應(yīng)就緒表中的相應(yīng)字節(jié)的相應(yīng)位置置1。如圖5-4當(dāng)優(yōu)先級(jí)0時(shí)，OSRdyTbl的第0位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)1時(shí)，OSRdyTbl的第1位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)2時(shí)，OSRdyTbl的第2位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)3時(shí)，OSRdyTbl的第3位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)4時(shí)，OSRdyTbl的第4位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)5時(shí)，OSRdyTbl的第5位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)6時(shí)，OSRdyTbl的第6位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)7時(shí)，OSRdyTbl的第7位置1，圖5-4把任務(wù)放入等待列表中，采用位圖的方式，將任務(wù)放入等待列表。priority表示任務(wù)的優(yōu)先級(jí)：OSMapTbl[]的值下標(biāo)二進(jìn)制掩碼000000001100000010200000100300001000400010000500100000601000000710000000OSRdyTbl [priority>>3] |=OSMapTbl[priority&0x07];5.2任務(wù)調(diào)度模塊5.2.1基于優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了或者說是掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立即得到CPU的控制權(quán)。如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，中斷了的任務(wù)被掛起，優(yōu)先級(jí)高的那個(gè)任務(wù)得到運(yùn)行。調(diào)度流程如圖5-5所示：圖5-5基于優(yōu)先級(jí)搶占的內(nèi)核，最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)什么時(shí)候可以執(zhí)行，可以得到CPU的控制權(quán)是可知的。使用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式內(nèi)核使得任務(wù)響應(yīng)時(shí)間得以最優(yōu)化?；趦?yōu)先級(jí)調(diào)度的內(nèi)核總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先運(yùn)行，中斷服務(wù)程序可以搶占CPU，到中斷服務(wù)完成時(shí)，內(nèi)核使優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間得到了最優(yōu)化，且是可知的。查找進(jìn)入就緒態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的TCB并完成任務(wù)前換的步驟如圖5-6所示：圖5-6第一步：利用就緒表查找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)；利用任務(wù)就緒表和OSUnMapTbl[]查詢處于就緒態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的方法如下：priority表示任務(wù)的優(yōu)先級(jí)X=OSUnMapTbl[OSRdyTbl];priority=(INT16U)X;OSUnMapTab[]數(shù)組結(jié)構(gòu)如下所示：INT8UconstOSUnMapTbl[256]={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*/};第二步：查找最高優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的任務(wù)的任務(wù)控制塊，如圖5-7所示；圖5-7第三步：任務(wù)切換保存當(dāng)前任務(wù)的寄存器，把求得的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)切換為運(yùn)行態(tài)，最高優(yōu)先級(jí)得到執(zhí)行。5.2.2時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，這個(gè)中斷可以看作是系統(tǒng)心臟的脈動(dòng)。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般在10ms到200ms之間，該實(shí)時(shí)內(nèi)核的時(shí)鐘節(jié)拍間隔定義為10ms。時(shí)鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)就越大。OSTimeTick()函數(shù)的處理流程如圖5-8所示：圖5-85.3任務(wù)間的通信RTOS中定義了OS_EVENT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來維護(hù)一個(gè)時(shí)間控制塊的所有信息，也成為事件控制塊。除了包括事件的本身的定義，還包括等待該事件任務(wù)的列表。代碼清單如下所示：typedefstruct{ void*OSEventPtr; /*指向消息隊(duì)列的指針*/ INT8U OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];/*等待任務(wù)列表*/ INT32UOSEventCnt;/*事件計(jì)數(shù)器*/ structtask_id*OSTaskIdTbl[OS_LOWEST_PRIO+1];/*等待狀態(tài)ID塊*/}當(dāng)優(yōu)先級(jí)0時(shí)，OSRdyTbl的第0位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)1時(shí)，OSRdyTbl的第1位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)2時(shí)，OSEventTbl的第2位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)3時(shí)，OSEventTbl的第3位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)4時(shí)，OSEventTbl的第4位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)5時(shí)，OSEventTbl的第5位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)6時(shí)，OSEventTbl的第6位置1，當(dāng)優(yōu)先級(jí)7時(shí)，OSEventTbl的第7位置1，圖5-9把任務(wù)放入等待列表中，采用位圖存儲(chǔ)的方式，優(yōu)先級(jí)位圖存儲(chǔ)方式中使任務(wù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，將任務(wù)放入等待列表。利用.OSEventTbl確定優(yōu)先級(jí)在中的位置。priority是任務(wù)的優(yōu)先級(jí),pevent是等待的事件：pevent.OSEventTbl[priority>>3] |=OSMapTbl[priority&0x07];OSMapTbl[]的值下標(biāo)二進(jìn)制掩碼000000001100000010200000100300001000400010000500100000601000000710000000查找處于等待狀態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)并把任務(wù)并將其放入就緒表中步驟如圖5-10所示：圖5-10第一步：查找等待列表中最高優(yōu)先級(jí)；利用OSUnMapTbl[]查找最高優(yōu)先級(jí)的方法如下所示：X=OSUnMapTbl[OSEventTbl];priority=(INT16U)X;第二步：查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的ID：.OSTaskIdTbl[]數(shù)組是以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為索引，利用最高優(yōu)先級(jí)可以直接找到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的ID；圖5-11第三步：將最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)編號(hào)從等待列表中刪除，并將其放入就緒列表。6系統(tǒng)測(cè)試6.1項(xiàng)目一：內(nèi)核移植到周立功LPC2138測(cè)試及RS232串口的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容：完成對(duì)硬件層的抽象，內(nèi)核可否正常運(yùn)行。輸入：在主函數(shù)中創(chuàng)建任務(wù)。輸出：通過串口在超級(jí)終端顯示相關(guān)信息。測(cè)試方法：在主函數(shù)中輸出部分信息如printf(“runtask\n”)，檢查RS232串口驅(qū)動(dòng)是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。6.2項(xiàng)目二：內(nèi)核多任務(wù)的搶占調(diào)度及任務(wù)的睡眠機(jī)制內(nèi)容：在主函數(shù)中創(chuàng)建兩個(gè)以上的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)，在任務(wù)中調(diào)用taskSleep使任務(wù)主動(dòng)的睡眠一段時(shí)間，觀察在超級(jí)終端中輸出信息。輸入：主函數(shù)中創(chuàng)建的多任務(wù)。輸出：超級(jí)終端輸出的任務(wù)信息。測(cè)試方法：在主函數(shù)中創(chuàng)建兩個(gè)以上的任務(wù)，并在函數(shù)中調(diào)用taskSleep使任務(wù)主動(dòng)的睡眠一段時(shí)間，在創(chuàng)建的任務(wù)中輸出相應(yīng)的任務(wù)信息。6.3項(xiàng)目三：任務(wù)管理測(cè)試內(nèi)容：測(cè)試任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)情況，包括=1\*GB3①在任務(wù)中創(chuàng)建任務(wù)和啟動(dòng)任務(wù)；=2\*GB3②在任務(wù)中刪除其他任務(wù)以及刪除自身；=3\*GB3③修改任務(wù)的優(yōu)先級(jí)：修改自身的優(yōu)先級(jí)和修改其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；=4\*GB3④任務(wù)掛起與恢復(fù)：掛起其他任務(wù)和掛起自身，恢復(fù)掛起的任務(wù)；=5\*GB3⑤獲得任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；輸入：在任務(wù)中創(chuàng)建多任務(wù)。輸出：超級(jí)終端輸出的任務(wù)信息。測(cè)試方法：=1\*GB3①在任務(wù)中創(chuàng)建任務(wù)(taskCreate)和啟動(dòng)任務(wù)(taskStart)；=2\*GB3②在任務(wù)中刪除其他任務(wù)以及刪除自身(taskDelete())；=3\*GB3③修改任務(wù)的優(yōu)先級(jí)（taskPrioritySet）：修改自身的優(yōu)先級(jí)和修改其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；=4\*GB3④任務(wù)掛起與恢復(fù)(taskSuspendtaskResume)：掛起其他任務(wù)和掛起自身，恢復(fù)掛起的任務(wù)；=5\*GB3⑤獲得任務(wù)的優(yōu)先級(jí)(taskPriorityGet)；6.4項(xiàng)目四：任務(wù)間通信測(cè)試-互斥信號(hào)量內(nèi)容：互斥信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的互斥訪問，并測(cè)試優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題是否解決；輸入：主函數(shù)中創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)和互斥信號(hào)量；輸出：超級(jí)終端顯示的任務(wù)信息測(cè)試方法：在主函數(shù)中創(chuàng)建信號(hào)量（semCreate）,任務(wù)申請(qǐng)得到該互斥型信號(hào)量（semTake）,同時(shí)測(cè)試擁有互斥信號(hào)量的任務(wù)是否可以釋放信號(hào)量（semGive）；7總結(jié)和展望經(jīng)過了兩個(gè)多月的學(xué)習(xí)和努力，我終于完成了微實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文。從開始選擇設(shè)計(jì)題目到查找相關(guān)資料，從設(shè)計(jì)的逐步完成再到論文文章的結(jié)束，每一階段都有或多或少的問題，但經(jīng)過查看相關(guān)的資料，經(jīng)過老師和同學(xué)們的幫助，原本模糊的概念逐漸清晰，使自己的作品慢慢的完善起來，對(duì)自己的大學(xué)四年學(xué)習(xí)生活有了更深刻的認(rèn)識(shí)。因?yàn)樽陨淼乃较拗?，我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不是很成熟，還有相當(dāng)多的不足之處，但我也學(xué)到了很多的知識(shí)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我受益匪淺，我感受到做事情只要認(rèn)真的去做，任何困難都會(huì)解決的。從解決困難的過程中我也體會(huì)到學(xué)習(xí)、研究、思考的樂趣，回顧大學(xué)四年學(xué)習(xí)生活此刻感慨頗多，這四年會(huì)成為我人生中最寶貴的回憶，因?yàn)閷W(xué)校帶給我一生的財(cái)富，無話不談的同學(xué)，和藹親切的老師，懷念我的大學(xué)。在以后的工作生活中，我會(huì)充分利用所學(xué)的一切去奮斗。

AbstractDesignandImplementationofMicro-embeddedRealTimeOperatingSystemTianDewei(DepartmentofComputerScienceandTechnology,DezhouUniversity,Dezhou,Abstract：Withthedevelopmentoftheinternetofthings,embeddedsystemsarebecomingincreasinglyimportantinpeople'sdailylives.Embeddedoperatingsysteminembeddeddevelopmentisalsograduallyattractingmoreandmoredevelopers,ithasbecomethefocusofmanymanufact