RIOT OS

　 目錄

    1 工作原理                6 存在問(wèn)題
    2 任務(wù)管理                7 解決方法
    3 通信同步                8 相關(guān)建議
    4 任務(wù)調(diào)度                9 優(yōu)先級(jí)
    5 中斷機(jī)理                10 開(kāi)發(fā)筆記　

工作原理

　　uC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶先的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核。

　　要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制,那么目標(biāo)CPU必須具備一種在運(yùn)行期更改PC的途徑,否則無(wú)法做到切換。不幸的是,直接設(shè)置PC指針,還沒(méi)有哪個(gè)CPU支持這樣的指令。但是一般CPU都允許通過(guò)類(lèi)似JMP,CALL這樣的指令來(lái)間接的修改PC。我們的多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)。事實(shí)上,我們使用CALL指令或者軟中斷指令來(lái)修改PC,主要是軟中斷。但在一些CPU上,并不存在軟中斷這樣的概念,所以,我們?cè)谀切〤PU上,使用幾條PUSH指令加上一條CALL指令來(lái)模擬一次軟中斷的發(fā)生。

　　在uC/OS-II里,每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)控制塊(Task Control Block),這是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在任務(wù)控制塊的偏移為0的地方,存儲(chǔ)著一個(gè)指針,它記錄了所屬任務(wù)的專用堆棧地址。事實(shí)上,在uC/OS-II內(nèi),每個(gè)任務(wù)都有自己的專用堆棧,彼此之間不能侵犯。這點(diǎn)要求程序員在他們的程序中保證。一般的做法是把他們申明成靜態(tài)數(shù)組。而且要申明成OS_STK類(lèi)型。當(dāng)任務(wù)有了自己的堆棧,那么就可以將每一個(gè)任務(wù)堆棧在那里記錄到前面談到的任務(wù)控制快偏移為0的地方。以后每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換,系統(tǒng)必然會(huì)先進(jìn)入一個(gè)中斷,這一般是通過(guò)軟中斷或者時(shí)鐘中斷實(shí)現(xiàn)。然后系統(tǒng)會(huì)先把當(dāng)前任務(wù)的堆棧地址保存起來(lái),緊接著恢復(fù)要切換的任務(wù)的堆棧地址。由于哪個(gè)任務(wù)的堆棧里一定也存的是地址（還記得我們前面說(shuō)過(guò)的,每當(dāng)發(fā)生任務(wù)切換,系統(tǒng)必然會(huì)先進(jìn)入一個(gè)中斷,而一旦中斷CPU就會(huì)把地址壓入堆棧）,這樣,就達(dá)到了修改PC為下一個(gè)任務(wù)的地址的目的。

　　任務(wù)管理

　　uC/OS-II 中最多可以支持64 個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0 為最高優(yōu)先級(jí)。63為最低級(jí)，系統(tǒng)保留了4個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和4個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個(gè)。

　　uC/OS-II提供了任務(wù)管理的各種函數(shù)調(diào)用，包括創(chuàng)建任務(wù)，刪除任務(wù)，改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)掛起和恢復(fù)等。

　　系統(tǒng)初始化時(shí)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級(jí)最低，該任務(wù)僅給一個(gè)整型變量做累加運(yùn)算；另一個(gè)是系統(tǒng)任務(wù)，它的優(yōu)先級(jí)為次低，該任務(wù)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前cpu的利用率。

　　時(shí)間管理

　　uC/OS-II的時(shí)間管理是通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該定時(shí)中斷一般為10毫秒或100毫秒發(fā)生一次，時(shí)間頻率取決于用戶對(duì)硬件系統(tǒng)的定時(shí)器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。中斷發(fā)生的時(shí)間間隔是固定不變的，該中斷也成為一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。

　　uC/OS-II要求用戶在定時(shí)中斷的服務(wù)程序中，調(diào)用系統(tǒng)提供的與時(shí)鐘節(jié)拍相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，例如中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)，系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)。

　　內(nèi)存管理

　　在ANSI C中是使用malloc和free兩個(gè)函數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存。但在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，多次這樣的操作會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片，且由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc和free的執(zhí)行時(shí)間也是不確定。

　　uC/OS-II中把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)管理。每個(gè)分區(qū)中包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間的內(nèi)存塊大小可以不同。用戶需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來(lái)分配內(nèi)存。釋放內(nèi)存時(shí)將該塊放回它以前所屬的分區(qū)，這樣能有效解決碎片問(wèn)題，同時(shí)執(zhí)行時(shí)間也是固定的。

　　通信同步

　　對(duì)一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，任務(wù)間的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4種同步對(duì)象，分別是信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列和事件。所有這些同步對(duì)象都有創(chuàng)建，等待，發(fā)送，查詢的接口用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信和同步。

　　任務(wù)調(diào)度

　　uC/OS-II 采用的是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實(shí)時(shí)內(nèi)核在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

　　uC/os-II的任務(wù)調(diào)度是完全基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，也就是最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的處理器資源。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，uC/OS-II規(guī)定所有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同，因?yàn)槿蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)也同時(shí)唯一標(biāo)志了該任務(wù)本身。

　　1） 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因?yàn)樾枰撤N臨界資源，主動(dòng)請(qǐng)求掛起，讓出處理器，此時(shí)將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度也稱為任務(wù)級(jí)的上下文切換。

　　2） 高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因?yàn)闀r(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)，在時(shí)鐘中斷的處理程序中，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得了執(zhí)行條件(如休眠的時(shí)鐘到時(shí))，則在中斷態(tài)直接切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級(jí)的上下文切換。

　　這兩種調(diào)度方式在uC/OS-II的執(zhí)行過(guò)程中非常普遍，一般來(lái)說(shuō)前者發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)中，后者發(fā)生在時(shí)鐘中斷的服務(wù)程序中。

　　調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。其最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找是通過(guò)建立就緒任務(wù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。u C / O S 中的每一個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆?？臻g，并有一個(gè)稱為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy 記錄當(dāng)前最高級(jí)就緒任務(wù)的TCB 地址，然后調(diào)用OS_TASK_SW()函數(shù)來(lái)進(jìn)行任務(wù)切換。

　　中斷機(jī)理

　　引 言

　　在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域，由Jean J. Labrosse開(kāi)發(fā)的μC/OS，由于開(kāi)放源代碼和強(qiáng)大而穩(wěn)定的功能，曾經(jīng)一度在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強(qiáng)烈反響。而其本人也早已成為了嵌入式系統(tǒng)會(huì)議（美國(guó)）的顧問(wèn)委員會(huì)的成員。

　　不管是對(duì)于初學(xué)者，還是有經(jīng)驗(yàn)的工程師，μC/OS開(kāi)放源代碼的方式使其不但知其然，還知其所以然。通過(guò)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入了解，能更加方便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試；并且在這種條件下，完全可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理的裁減、擴(kuò)充、配置和移植。通常，購(gòu)買(mǎi)RTOS往往需要一大筆資金，使得一般的學(xué)習(xí)者望而卻步；而μC/OS對(duì)于學(xué)校研究完全免費(fèi)，只有在應(yīng)用于盈利項(xiàng)目時(shí)才需要支付少量的版權(quán)費(fèi)，特別適合一般使用者的學(xué)習(xí)、研究和開(kāi)發(fā)。自1992第1版問(wèn)世以來(lái)，已有成千上萬(wàn)的開(kāi)發(fā)者把它成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，安全性和穩(wěn)定性已經(jīng)得到認(rèn)證，現(xiàn)已經(jīng)通過(guò)美國(guó)FAA認(rèn)證。

　　組成部分

　　μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

　　核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

　　任務(wù)處理部分(OSTask.c) 任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)?mu;C/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

　　時(shí)鐘部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

　　任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問(wèn)。

　　與CPU的接口部分 是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對(duì)于關(guān)鍵問(wèn)題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包括中斷級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

　　中斷處理

　　2.1 函數(shù)調(diào)用和中斷調(diào)用的操作

　　MSP430最常使用的C編譯器應(yīng)該就是IAR Embedd-ed WorkBench。對(duì)于這一編譯器來(lái)說(shuō)，通過(guò)分析和研究，發(fā)現(xiàn)它有以下規(guī)律。

　　函數(shù)調(diào)用

　　如果是函數(shù)級(jí)調(diào)用，編譯器會(huì)在函數(shù)調(diào)用時(shí)先把當(dāng)前函數(shù)PC壓棧，然后調(diào)用函數(shù)，PC值改變。

　　如果被調(diào)用的函數(shù)帶有參數(shù)，那么，編譯器按照以下的規(guī)則進(jìn)行。

　　最左邊的兩個(gè)參數(shù)如果不是struct（結(jié)構(gòu)體）或者union（聯(lián)合體），將被賦值到寄存器，否則將被壓棧。函數(shù)剩下的參數(shù)都將被壓棧。根據(jù)最左邊的那兩個(gè)參數(shù)的類(lèi)型，分別賦值給R12（對(duì)于32位類(lèi)型賦值給R12:R13）和R14(對(duì)于32位類(lèi)型賦值給R14:R15)。

　　中斷調(diào)用

　　如果是在中斷中調(diào)用中斷服務(wù)子程序的話，編譯器將把當(dāng)前執(zhí)行語(yǔ)句的PC壓棧，同時(shí)再把SR壓棧。接著，根據(jù)中斷服務(wù)子程序的復(fù)雜程度，選擇把R12~R15中的寄存器壓棧。然后，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后再把Rx寄存器出棧，SR出棧，PC出棧。把系統(tǒng)恢復(fù)到中斷前的狀態(tài)，使程序接著被中斷的部分繼續(xù)運(yùn)行。

　　圖3 中斷發(fā)生時(shí)的任務(wù)棧壓棧操作

　　2.2 任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)的任務(wù)切換步驟和原理

　　(1)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換原理

　　μC/OS-II是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在沒(méi)有用戶自己定義的中斷情況下，任務(wù)間的切換步驟是這樣的：任務(wù)間的切換一般會(huì)調(diào)用OSSched()函數(shù)。函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：

　　void OSSched(void){

　　關(guān)中斷

　　如果（不是中斷嵌套并且系統(tǒng)可以被調(diào)度）{

　　確定優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)

　　如果（最高級(jí)的任務(wù)不是當(dāng)前的任務(wù)）{

　　調(diào)用OSCtxSw();

　　}

　　}

　　開(kāi)中斷

　　}

　　我們把這個(gè)函數(shù)稱作任務(wù)調(diào)度的前導(dǎo)函數(shù)。它先判斷要進(jìn)行任務(wù)切換的條件，如果條件允許進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，則調(diào)用OSCtxSw()。這個(gè)函數(shù)是真正實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的函數(shù)。由于期間要對(duì)堆棧進(jìn)行操作，所以O(shè)SCtxSw()一般用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成。它將正在運(yùn)行的任務(wù)的CPU的SR寄存器推入堆棧，然后把R4~R15壓棧。接著把當(dāng)前的SP保存在TCB->OSTCBStkPtr中，然后把最高優(yōu)先級(jí)的TCB->OSTCBStkPtr的值賦值給SP。這時(shí)候，SP就已經(jīng)指到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的任務(wù)堆棧了。然后進(jìn)行出棧工作，把R15~R4出棧。接著使用RETI返回，這樣就把SR和PC出棧了。簡(jiǎn)單地說(shuō)，μC/OS-II切換到最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，只是恢復(fù)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所有的寄存器并運(yùn)行中斷返回指令（RETI），實(shí)際上，所作的只是人為地模仿了一次中斷。

　　(2)中斷級(jí)的任務(wù)切換原理

　　μC/OS-II的中斷服務(wù)子程序和一般前后臺(tái)的操作有少許不同，往往需要這樣操作：

　　保存全部CPU寄存器

　　調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting++

　　開(kāi)放中斷

　　執(zhí)行用戶代碼

　　關(guān)閉中斷

　　調(diào)用OSIntExit();

　　恢復(fù)所有CPU寄存器

　　RETI

　　OSIntEnter()就是將全局變量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中斷嵌套層數(shù)的變量。μC/OS-II通過(guò)它確保在中斷嵌套的時(shí)候，不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。執(zhí)行完用戶的代碼后，μC/OS-II調(diào)用OSIntExit()，一個(gè)與OSSched()很像的函數(shù)。在這個(gè)函數(shù)中，系統(tǒng)首先把OSIntNesting減1，然后判斷是否中斷嵌套。如果不是的話，并且當(dāng)前任務(wù)不是最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，那么找到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，執(zhí)行OSIntCtxSw()這一出中斷任務(wù)切換函數(shù)。因?yàn)椋谶@之前已經(jīng)做好了壓棧工作；在這個(gè)函數(shù)中，要進(jìn)行R15~R4的出棧工作。而且，由于在之前調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，可能已經(jīng)有一些寄存器被壓入了堆棧。所以要進(jìn)行堆棧指針的調(diào)整，使得能夠從正確的位置出棧。

　　存在問(wèn)題

　　由于μC/OS-II在應(yīng)用的時(shí)候會(huì)占用單片機(jī)上的一些資源，如系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM、Flash或者ROM，從而減少了用戶程序?qū)Y源的利用。對(duì)于MSP430來(lái)說(shuō)，RAM的占用是特別突出的問(wèn)題。對(duì)于8、16位的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，片內(nèi)的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片內(nèi)RAM也只有2KB，例如MSP430F149）。如果使用擴(kuò)展內(nèi)存，會(huì)大大增加設(shè)計(jì)難度。

　　通過(guò)對(duì)μC/OS-II的分析可以得知，μC/OS-II占用的RAM主要是用在每個(gè)任務(wù)的TCB、每個(gè)任務(wù)的堆棧等方面。通過(guò)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)任務(wù)堆棧大的原因是因?yàn)镸SP430的硬件設(shè)計(jì)中沒(méi)有把中斷堆棧和任務(wù)堆棧分開(kāi)。這樣就造成了在應(yīng)用μC/OS-II的時(shí)候，考慮每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧大小時(shí)，不單單需要計(jì)算任務(wù)中局部變量和函數(shù)嵌套層數(shù)，還需要考慮中斷的最大嵌套層數(shù)。因?yàn)?，?duì)于μC/OS-II原始的中斷處理的設(shè)計(jì)、中斷處理過(guò)程中的中斷嵌套中所需要壓棧的寄存器大小和局部變量的內(nèi)存大小，都需要算在每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，則對(duì)于每一個(gè)任務(wù)都需要預(yù)留這一部分內(nèi)存，所以大量的RAM被浪費(fèi)。從這里可以看出，解決這一問(wèn)題的直接方法就是把中斷堆棧和每個(gè)任務(wù)自己的堆棧分開(kāi)。這樣，在計(jì)算每個(gè)任務(wù)堆棧的時(shí)候，就不需要把中斷處理中（包括中斷嵌套過(guò)程中）的內(nèi)存的占用計(jì)算到每個(gè)任務(wù)的任務(wù)堆棧中，只需要計(jì)算每個(gè)任務(wù)本身需要的內(nèi)存大小，從而提高了RAM的利用率，可以緩解內(nèi)存緊張的問(wèn)題。

　　在這種設(shè)計(jì)方案中，中斷堆棧區(qū)也就是利用原有的MSP430中的系統(tǒng)堆棧區(qū)。在前后臺(tái)的設(shè)計(jì)形式中，中斷中的壓棧和出棧的操作都是在系統(tǒng)的堆棧區(qū)完成的?；?mu;C/OS-II的任務(wù)切換的原理，我們對(duì)于任務(wù)堆棧的功能和系統(tǒng)堆棧的功能做了以下劃分：任務(wù)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生中斷和任務(wù)切換的時(shí)候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各個(gè)任務(wù)自己的任務(wù)堆棧中；而中斷嵌套產(chǎn)生的壓棧和出棧的操作都是放在系統(tǒng)堆棧中進(jìn)行的。這種劃分方式是基于盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開(kāi)的思想設(shè)計(jì)的。

　　從前面對(duì)于IAR EW的默認(rèn)操作分析來(lái)看，堆棧的結(jié)構(gòu)可以有兩種。一種是把μC/OS-II的任務(wù)堆棧設(shè)計(jì)成圖1所示的形式。這種方法是把編譯器默認(rèn)的壓棧操作放在前面，然后再把剩下的寄存器進(jìn)棧。但是，由于編譯器在處理復(fù)雜程度不同的中斷服務(wù)程序的時(shí)候，壓入棧的寄存器的數(shù)量不定，所以會(huì)對(duì)以后其余寄存器的壓棧和出棧操作增加復(fù)雜度。這里，我們采用了圖2所示的方式生成堆棧。在這種堆棧中，PC和SR壓棧后，通過(guò)調(diào)整SP指針，使得R4~R15寄存器覆蓋編譯器默認(rèn)壓棧的寄存器。這樣，處理的難度會(huì)小一點(diǎn)。

　　解決方法

　　對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)方式，CPU必須能夠：

　　◆ 有相應(yīng)的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能，能使用相應(yīng)的指令來(lái)完成類(lèi)似SP的一些操作；

　　◆ 作為SP使用的寄存器在編譯過(guò)程中最好不被編譯器默認(rèn)使用。在IAR的編譯器中，有一個(gè)選項(xiàng)可以避免在編譯過(guò)程中使用到R4、R5。

　　這兩點(diǎn)MSP430都可以做到。

　　下面對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)中斷后，會(huì)發(fā)生的幾種情況進(jìn)行分析。

　　1）在中斷的處理過(guò)程中沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的中斷產(chǎn)生，即不會(huì)產(chǎn)生中斷嵌套。

　　圖3所示為中斷發(fā)生后對(duì)于任務(wù)優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)堆棧所進(jìn)行的操作。中斷發(fā)生后，PC和SR被系統(tǒng)壓棧②，對(duì)于IAR C編譯器來(lái)說(shuō)，會(huì)按照復(fù)雜度不同的中斷服務(wù)程序的要求，默認(rèn)地進(jìn)行一些寄存器的壓棧操作③。因?yàn)槲覀円蟮亩褩８袷绞侨鐖D2所示的，我們要把SP調(diào)整到SR后面④，然后進(jìn)行R4~R15的壓棧操作，形成我們所要求的堆棧格式⑤。

　　進(jìn)行任務(wù)堆棧的壓棧工作以后，就可以調(diào)整SP的指針到系統(tǒng)堆棧了，如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個(gè)壓棧內(nèi)容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級(jí)6任務(wù)的TCB->OSTCBStkPtr，以便進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的時(shí)候出棧使用②。接著，就把SP調(diào)整到系統(tǒng)堆棧處③。在中斷處理過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)壓棧的操作，那么這種情況下SP的指針會(huì)隨之移動(dòng)。由于是中斷堆棧中，所以不會(huì)破壞任務(wù)堆棧的格式。

　　由于沒(méi)有中斷嵌套，在中斷處理中沒(méi)有別的中斷發(fā)生，那么返回的步驟和上述的進(jìn)棧操作正好相反。在中斷處理完了以后，SP會(huì)自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會(huì)查詢到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧，進(jìn)行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。因?yàn)槲覀儼阉械娜蝿?wù)堆棧都規(guī)定成相同的格式，所以它們之間不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。這里需要注意的是，因?yàn)橄到y(tǒng)在C編譯器的中斷處理中會(huì)對(duì)中斷進(jìn)入時(shí)默認(rèn)壓棧的寄存器出棧，所以在設(shè)計(jì)出棧的程序時(shí)，要先把這些內(nèi)容壓棧，這樣才能正確出棧。

　　2）在中斷的處理過(guò)程中，有別的中斷產(chǎn)生，產(chǎn)生中斷嵌套。

　　如圖5所示，由于在處理中斷的時(shí)候，SP已經(jīng)被移到系統(tǒng)堆棧去了，只有當(dāng)中斷退出的時(shí)候才可能把SP移到別的任務(wù)的任務(wù)堆棧中。所以在中斷的時(shí)候進(jìn)行中斷嵌套，那么對(duì)于中斷的處理和第一次是一樣的，所不同的是，這次保存在堆棧中的不是任務(wù)運(yùn)行中的寄存器，而是中斷處理中的寄存器，而且是保存在系統(tǒng)堆棧中而不是任務(wù)堆棧中。從這里就可以看出優(yōu)化內(nèi)存的效果。所有的中斷嵌套中的寄存器壓棧都?jí)涸谙到y(tǒng)堆棧中，這樣對(duì)于任務(wù)堆棧內(nèi)存大小的要求大大降低。

　　因?yàn)?mu;C/OS-II在進(jìn)入中斷中，會(huì)把全局變量OSIntNesting++；在退出中斷的時(shí)候，又會(huì)把OSIntNesting--。在退出中斷進(jìn)行任務(wù)切換之前，μC/OS-II會(huì)先判斷OSIntNesting是否為0，是0才會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。當(dāng)?shù)诙袛噙\(yùn)行結(jié)束以后，退出中斷嵌套的時(shí)候，OSIntNesting不為0，也就不會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。因此，仍舊在系統(tǒng)堆棧出棧，那么系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)前面沒(méi)有完成的中斷服務(wù)程序。

　　接著退出中斷的順序和非中斷嵌套的順序是一樣的。在中斷處理完以后，SP會(huì)自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會(huì)查詢到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧。進(jìn)行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。

　　中斷的情況基本上就是上述兩種。對(duì)于有些文獻(xiàn)中提到的在中斷中會(huì)調(diào)度到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的情況，筆者覺(jué)得是不應(yīng)該發(fā)生的。因?yàn)閺纳厦娴姆治隹梢钥闯?，默認(rèn)的（μC/OS-II的設(shè)計(jì)思路）中斷處理會(huì)同時(shí)對(duì)全局變量OSIntNesting進(jìn)行增減處理，以給出是否需要任務(wù)調(diào)度的條件。那么即使在中斷服務(wù)程序中把更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，也會(huì)等到中斷退出以后再進(jìn)行調(diào)度，除非是在中斷中直接調(diào)用更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)函數(shù)。但這種方法應(yīng)該是和μC/OS-II的原則相違背的，沿用的是以前前后臺(tái)設(shè)計(jì)的思路。

　　對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)方式，時(shí)鐘節(jié)拍的處理方式必須和一般的中斷處理方式是一樣的。一般來(lái)說(shuō)，MSP430使用WATCHDOG時(shí)鐘中斷作為時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生源。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘節(jié)拍本身也是中斷處理過(guò)程，所以對(duì)于時(shí)鐘節(jié)拍的處理應(yīng)該和其它的中斷處理過(guò)程相同。實(shí)際上，在時(shí)鐘節(jié)拍的處理過(guò)程中也可能會(huì)存在中斷嵌套的問(wèn)題。

　　中斷堆棧和任務(wù)堆棧分離設(shè)計(jì)的程序流程如圖6所示。

　　相關(guān)建議

　?、?編寫(xiě)中斷程序的時(shí)候，有條件盡量使用匯編語(yǔ)言。因?yàn)檫@樣可以避免一些編譯器自己進(jìn)行的操作，減少指針調(diào)整的次數(shù)。

　?、?在用C編寫(xiě)中斷服務(wù)的時(shí)候，因?yàn)橛行┕δ鼙仨氄{(diào)用匯編的函數(shù)才能實(shí)現(xiàn)。調(diào)用函數(shù)時(shí)，有些時(shí)候壓棧的PC會(huì)破壞堆棧的結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)候需要把堆棧進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證堆棧格式的正確。

　?、壑袛嗵幚磉^(guò)程中調(diào)用OSIntExit()的時(shí)候，由于 μC/OS-II的原始設(shè)計(jì)中SP指針有時(shí)是不調(diào)整的，所以在OSIntExit()返回了以后，還要判斷一下是否中斷嵌套。因?yàn)橛械臅r(shí)候是需要切換任務(wù)的。

　　(綜合電子論壇)

　　優(yōu)先級(jí)

　　運(yùn)行機(jī)制

　　在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的指標(biāo)，而優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)是影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要問(wèn)題。本文著重分析優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題的產(chǎn)生和影響，以及在uC/OS-II中的解決方案。[2]

　　uC/OS-II采用基于固定優(yōu)先級(jí)的占先式調(diào)度方式，是一個(gè)實(shí)時(shí)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)具有一個(gè)任務(wù)控制快OS_TCB，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)的堆棧指針，任務(wù)的相關(guān)事件控制塊指針等。內(nèi)核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表(ready list)進(jìn)行標(biāo)注，通過(guò)就緒表中的兩個(gè)變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]可快速查找系統(tǒng)中就緒的任務(wù)。在uC/OS-II中每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級(jí)，因此任務(wù)的優(yōu)先級(jí)也是任務(wù)的唯一編號(hào)(ID)，可以作為任務(wù)的唯一標(biāo)識(shí)。內(nèi)核可用控制塊優(yōu)先級(jí)表OSTCBPrioTbl[]由任務(wù)的優(yōu)先級(jí)查到任務(wù)控制塊的地址。uC/OS-II主要就是利用任務(wù)控制快OS_TCB、就緒表(ready list)和控制塊優(yōu)先級(jí)表OSTCBPrioTbl[]來(lái)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的。任務(wù)調(diào)度程序OSSched()首先由就緒表(ready list)中找到當(dāng)前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后根據(jù)其優(yōu)先級(jí)由控制塊優(yōu)先級(jí)表OSTCBPrioTbl[]取得相應(yīng)任務(wù)控制塊的地址，由OS_TASK_SW()程序進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境的切換。將當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境切換成該任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境，則該任務(wù)由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。當(dāng)這個(gè)任務(wù)運(yùn)行完畢或因其它原因掛起時(shí)，任務(wù)調(diào)度程序OSSched()再次到就緒表(ready list)中尋找當(dāng)前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行該任務(wù)，如此完成任務(wù)調(diào)度。若在任務(wù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生中斷，則轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完畢后不是簡(jiǎn)單的返回中斷調(diào)用處，而是由OSIntExit()程序進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，執(zhí)行當(dāng)前系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)中所有任務(wù)都執(zhí)行完畢時(shí)，任務(wù)調(diào)度程序OSSched()就不斷執(zhí)行優(yōu)先級(jí)最低的空閑任務(wù)OSTaskIdle()，等待用戶程序的運(yùn)行。[2]

　　優(yōu)先翻轉(zhuǎn)

　　在uC/OS-II中，多個(gè)任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)高低由內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行，而且任務(wù)調(diào)度所花的時(shí)間是常數(shù)，與應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)無(wú)關(guān)。對(duì)于占先式內(nèi)核，任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間是確定的，而且是最優(yōu)化的，占先式內(nèi)核保證最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)最先執(zhí)行。[2]

　　任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間=尋找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間+任務(wù)切換時(shí)間

　　在uC/OS-II中尋找進(jìn)入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)是通過(guò)查就緒表實(shí)現(xiàn)的，這減少了所需時(shí)間。

　　y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

　　x= OSUnMapTbl [OSRdyTbl[y]];

　　prio=(y<<3)+x;

　　任務(wù)切換是通過(guò)調(diào)用匯編函數(shù)OS_TASK_SW()來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要完成兩個(gè)任務(wù)運(yùn)行環(huán)境的保存和恢復(fù)。因此用戶可以通過(guò)安排任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。當(dāng)涉及到共享資源的互斥訪問(wèn)時(shí)，多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)常常會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題(priority inversion)，不能保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，uC/OS-II中也存在同樣問(wèn)題。所謂優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題(priority inversion)即當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過(guò)信號(hào)量機(jī)制訪問(wèn)共享資源時(shí)，該信號(hào)量已被一低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)在訪問(wèn)共享資源時(shí)可能又被其它一些中等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。例如：有優(yōu)先級(jí)為A、B和C的三個(gè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)A>B>C，任務(wù)A，B處于掛起狀態(tài)，等待某一事件的發(fā)生，任務(wù)C正在運(yùn)行，此時(shí)任務(wù)C開(kāi)始使用某一共享資源S。在使用中，任務(wù)A等待的事件到來(lái)，任務(wù)A轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，因?yàn)樗热蝿?wù)C優(yōu)先級(jí)高，所以立即執(zhí)行。當(dāng)任務(wù)A要使用共享資源S時(shí)，由于其正在被任務(wù)C使用，因此任務(wù)A被掛起，任務(wù)C開(kāi)始運(yùn)行。如果此時(shí)任務(wù)B等待的事件到來(lái)，則任務(wù)B轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)比任務(wù)C高，因此任務(wù)B開(kāi)始運(yùn)行，直到其運(yùn)行完畢，任務(wù)C才開(kāi)始運(yùn)行。直到任務(wù)C釋放共享資源S后，任務(wù)A才得以執(zhí)行。在這種情況下，優(yōu)先級(jí)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，任務(wù)B先于任務(wù)A運(yùn)行。這樣便不能保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題有優(yōu)先級(jí)天花板(priority ceiling)和優(yōu)先級(jí)繼承(priority inheritance)兩種辦法。[2]

　　優(yōu)先級(jí)天花板是當(dāng)任務(wù)申請(qǐng)某資源時(shí)，把該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到可訪問(wèn)這個(gè)資源的所有任務(wù)中的最高優(yōu)先級(jí)，這個(gè)優(yōu)先級(jí)稱為該資源的優(yōu)先級(jí)天花板。這種方法簡(jiǎn)單易行，不必進(jìn)行復(fù)雜的判斷，不管任務(wù)是否阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的運(yùn)行，只要任務(wù)訪問(wèn)共享資源都會(huì)提升任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在uC/OS-II中，可以通過(guò)OSTaskChangePrio()改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，但是改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)是很花時(shí)間的。如果不發(fā)生優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)而提升了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，釋放資源后又改回原優(yōu)先級(jí)，則無(wú)形中浪費(fèi)了許多CPU時(shí)間，也影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　優(yōu)先級(jí)繼承是當(dāng)任務(wù)A申請(qǐng)共享資源S時(shí)，如果S正在被任務(wù)C使用，通過(guò)比較任務(wù)C與自身的優(yōu)先級(jí)，如發(fā)現(xiàn)任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)小于自身的優(yōu)先級(jí)，則將任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)提升到自身的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)C釋放資源S后，再恢復(fù)任務(wù)C的原優(yōu)先級(jí)。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)才動(dòng)態(tài)的改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，如果過(guò)程較復(fù)雜，則需要進(jìn)行判斷。uC/OS-II不支持優(yōu)先級(jí)繼承，而且其以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)作為任務(wù)標(biāo)識(shí)，每個(gè)優(yōu)先級(jí)只能有一個(gè)任務(wù)，因此，不適宜在應(yīng)用程序中使用優(yōu)先級(jí)繼承。[2]

　　翻轉(zhuǎn)解決

　　在uC/OS-II中，為解決優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)影響任務(wù)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，可以借鑒優(yōu)先級(jí)繼承的方法對(duì)優(yōu)先級(jí)天花板方法進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)uC/OS-II的使用，共享資源任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不是全部提升，而是先判斷再?zèng)Q定是否提升。即當(dāng)有任務(wù)A申請(qǐng)共享資源S時(shí)，首先判斷是否有別的的任務(wù)正在占用資源S，若無(wú)，則任務(wù)A繼續(xù)執(zhí)行，若有，假設(shè)為任務(wù)B正在使用該資源，則判斷任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)是否低于任務(wù)A，若高于任務(wù)A，則任務(wù)A掛起，等待任務(wù)B釋放該資源，如果任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)低于任務(wù)A，則提升任務(wù)B的優(yōu)先級(jí)到該資源的優(yōu)先級(jí)天花板，當(dāng)任務(wù)B釋放資源后，再恢復(fù)到原優(yōu)先級(jí)。在uC/OS-II中，每個(gè)共享資源都可看作一個(gè)事件，每個(gè)事件都有相應(yīng)的事件控制塊ECB。在ECB中包含一個(gè)等待本事件的等待任務(wù)列表，該列表包括OSEventTbl[]和OSEventGrp兩個(gè)域，通過(guò)對(duì)等待任務(wù)列表的判斷可以很容易的確定是否有多個(gè)任務(wù)在等待該資源，同時(shí)也可判斷任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低，從而決定是否需要用OSTaskChangePio()來(lái)改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)。這樣，僅在優(yōu)先級(jí)有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況下才改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，而且利用事件的等待任務(wù)列表進(jìn)行判斷，比用OSTaskChangePio()來(lái)改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)速度快，并占用較少的CPU時(shí)間，有利于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的提高。[2]

　　總之，優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題是多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題也存在于uC/OS-II中。通過(guò)在應(yīng)用程序中進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，在可能出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)的情況下動(dòng)態(tài)的改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級(jí)，可以有效地避免任務(wù)的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)，保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。[2]

　　開(kāi)發(fā)筆記

　　uC/OS-II是一個(gè)簡(jiǎn)潔、易用的基于優(yōu)先級(jí)的嵌入式搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。盡管它非常簡(jiǎn)單，但是它的確在很大程度上解放了我的嵌入式開(kāi)發(fā)工作。既然是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，那么一旦使用它，就會(huì)涉及到如何基于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的問(wèn)題。

　　任務(wù)框架

　　void task_xxx(void *pArg)

　　{

　　/* 該任務(wù)的初始化工作 */

　　……

　　/* 進(jìn)入該任務(wù)的死循環(huán) */

　　while(1)

　　{

　　……

　　}

　　}

　　每個(gè)用戶的任務(wù)都必須符合事件驅(qū)動(dòng)的編程模型，即uC/OS-II的應(yīng)用程序都必須是“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。一個(gè)任務(wù)首先等待一個(gè)事件的發(fā)生，事件可以是系統(tǒng)中斷發(fā)出的，也可以是其它任務(wù)發(fā)出的，又可以是任務(wù)自身等待的時(shí)間片。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生了，任務(wù)再作相應(yīng)處理，處理結(jié)束后又開(kāi)始等待下一個(gè)事件的發(fā)生。如此周而復(fù)始的任務(wù)處理模型就是“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。事件驅(qū)動(dòng)模型也涵蓋了中斷驅(qū)動(dòng)模型，uC/OS-II事件歸根結(jié)底來(lái)自三個(gè)方面：

　　(1)中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送的事件

　　(2)系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間到所引起的

　　(3)其它任務(wù)發(fā)送的事件。

　　其中“中斷服務(wù)函數(shù)發(fā)送的事件”就是指每當(dāng)有硬件中斷發(fā)生，那么中斷服務(wù)程序就會(huì)以事件的形式告訴任務(wù)，而等待該事件的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就會(huì)馬上得以運(yùn)行；“系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間到所引起的”事件其實(shí)也是硬件中斷導(dǎo)致的，那就是系統(tǒng)定時(shí)器中斷。而“其它任務(wù)發(fā)送的事件”則是由任務(wù)代碼自身決定的，這是完全的“軟事件”。不管“軟事件”還是“硬事件”，反正引起uC/OS-II任務(wù)切換的原因就是“事件”，所以用戶編寫(xiě)應(yīng)用代碼的時(shí)候一定要體現(xiàn)出“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。

　　任務(wù)分配

　　uC/OS-II的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配需要按照不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體分析。比如，對(duì)實(shí)時(shí)性要求越高的任務(wù)，則優(yōu)先級(jí)要越高。

　　軟件層次

　　uC/OS-II會(huì)直接操縱硬件，比如：任務(wù)切換代碼必然要保存和恢復(fù)CPU及協(xié)處理器的寄存器；uC/OS-II的內(nèi)核時(shí)基時(shí)鐘就需要硬件定時(shí)器的中斷。

　　BSP就是“板極支持包”，它包括基于uC/OS-II而開(kāi)發(fā)的事件驅(qū)動(dòng)模型、支持多任務(wù)的驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序直接控制各個(gè)硬件模塊并利用uC/OS-II的系統(tǒng)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能，它們應(yīng)該盡量避免應(yīng)用程序直接操縱硬件和uC/OS-II內(nèi)核。BSP還應(yīng)該為應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的API，以達(dá)到軟件層次分明、應(yīng)用軟件代碼可復(fù)用的目的。

　　應(yīng)用程序就是用戶為具體應(yīng)用需要而開(kāi)發(fā)的軟件，它必須符合uC/OS-II的編程模型，即“事件驅(qū)動(dòng)的編程模型”。應(yīng)用程序還應(yīng)該盡量避免直接控制硬件和直接調(diào)用uC/OS-II系統(tǒng)函數(shù)、變量，一個(gè)完善的uC/OS-II系統(tǒng)是不需要應(yīng)用程序來(lái)針對(duì)具體硬件而設(shè)計(jì)的。也就是說(shuō)，uC/OS-II必須擁有完備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而驅(qū)動(dòng)程序和BSP共同提供完備、標(biāo)準(zhǔn)的API。

　　信號(hào)注意

　　互斥信號(hào)對(duì)象(Mutual Exclusion Semaphore)簡(jiǎn)稱Mutex，是uC/OS-II的內(nèi)核對(duì)象之一，用于管理那些需要獨(dú)占訪問(wèn)的資源，并使其適應(yīng)多任務(wù)環(huán)境。

　　創(chuàng)建每一個(gè)Mutex，都需要指定一個(gè)空閑的優(yōu)先級(jí)號(hào)，這個(gè)優(yōu)先級(jí)號(hào)的優(yōu)先級(jí)必須比所有可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都高！

　　uC/OS-II的Mutex實(shí)現(xiàn)原理大致如下：

　　當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)A申請(qǐng)并得到了Mutex，于是它獲得資源訪問(wèn)權(quán)。如果此后有一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)B開(kāi)始運(yùn)行(此時(shí)任務(wù)A已經(jīng)被剝奪)，而且也要求得到Mutex，系統(tǒng)就會(huì)把任務(wù)A的優(yōu)先級(jí)提高到Mutex所指定的優(yōu)先級(jí)。由于此優(yōu)先級(jí)高于任何可能使用此Mutex的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，所以任務(wù)A會(huì)馬上獲得CPU控制權(quán)。一直到任務(wù)A釋放Mutex，任務(wù)A才回到它原有的優(yōu)先級(jí)，這時(shí)任務(wù)B就可以擁有該Mutex了。

　　應(yīng)該注意的是：當(dāng)任務(wù)A得到Mutex后，就不要再等待其它內(nèi)核對(duì)象(諸如：信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列、事件標(biāo)志等等)了，而應(yīng)該盡量快速的完成工作，釋放Mutex。否則，這樣的Mutex就失去了作用，而且效果比直接使用信號(hào)量(Sem)更糟糕！

　　雖然普通的信號(hào)量(Sem)也可以用于互斥訪問(wèn)某獨(dú)占資源，但是它可能引起“優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)”的問(wèn)題。假設(shè)上面的例子使用的是Sem，當(dāng)任務(wù)A得到Sem后，那么任務(wù)C(假設(shè)任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)比A高，但比B低)就緒的話將獲得CPU控制權(quán)，于是任務(wù)A和任務(wù)B都被剝奪CPU控制權(quán)。任務(wù)C的優(yōu)先級(jí)比B低，卻優(yōu)先得到了CPU！而如果任務(wù)A是優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)，那么它就要等到所有比它優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)都掛起之后才會(huì)擁有CPU，那么任務(wù)B(優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù))跟著它一起倒霉！這就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，這是違背“基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”原則的！

　　綜上所述，uC/OS-II中多個(gè)任務(wù)訪問(wèn)獨(dú)占資源時(shí)，最好使用Mutex，但是Mutex是比較消耗CPU時(shí)間和內(nèi)存的。如果某高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)要使用獨(dú)占資源，但是不在乎久等的情況下，就可以使用Sem，因?yàn)镾em是最高效最省內(nèi)存的內(nèi)核對(duì)象。

　　函數(shù)應(yīng)注意

　　uC/OS-II的OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數(shù)允許應(yīng)用程序鎖定當(dāng)前任務(wù)不被其它任務(wù)搶占。使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是：當(dāng)你調(diào)用了OSSchedLock()之后，而在調(diào)用OSSchedUnlock()之前，千萬(wàn)不要再調(diào)用諸如OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類(lèi)的事件等待函數(shù)！而且應(yīng)當(dāng)確保OSSchedLock()和OSSchedUnlock()函數(shù)成對(duì)出現(xiàn)，特別是在有些分支條件語(yǔ)句中，要考慮各種分支情況，不要有遺漏！

　　需要一并提醒用戶的是：當(dāng)您調(diào)用開(kāi)關(guān)中斷函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()時(shí)也要確保成對(duì)出現(xiàn)，否則系統(tǒng)將可能崩潰！不過(guò)，在OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()函數(shù)之間調(diào)用OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()之類(lèi)的事件等待函數(shù)是允許的。

　　編寫(xiě)規(guī)范

　　首先應(yīng)該闡明的是，我們這里討論的是“驅(qū)動(dòng)程序”，而不是“中斷服務(wù)程序”，這兩個(gè)詞語(yǔ)往往被用戶混淆。

　　(1)中斷服務(wù)程序指那種硬件中斷一旦發(fā)生，就會(huì)立即被硬件中斷控制器調(diào)用的一小段程序，它的操作追求簡(jiǎn)單明了，越快速越精簡(jiǎn)就越好。

　　(2)驅(qū)動(dòng)程序是指封裝了某種硬件操作細(xì)節(jié)的函數(shù)集，它提供給應(yīng)用程序的是統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、清晰、易用的API。

　　對(duì)于中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)，往往與驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)。比如驅(qū)動(dòng)程序提供異步操作的功能，那么就需要中斷服務(wù)程序?yàn)樗鼫?zhǔn)備緩沖區(qū)和一個(gè)結(jié)構(gòu)體，并且中斷服務(wù)程序會(huì)依照這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員參數(shù)自動(dòng)完成所要求的操作。又如，串口(UART)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)有兩種：基于數(shù)據(jù)包傳輸和基于單字節(jié)傳輸，前者適用于以數(shù)據(jù)包為單位的通信程序，而后者適用于如超級(jí)終端這樣的應(yīng)用程序。

　　如果在一個(gè)系統(tǒng)中，要求使用同一個(gè)硬件設(shè)備完成幾種不同的操作方式，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，而該驅(qū)動(dòng)程序可以根據(jù)需要安裝各種針對(duì)性很強(qiáng)的中斷服務(wù)程序。

　　在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，特別需要注意的是，某些外設(shè)的操作往往以一個(gè)連續(xù)而嚴(yán)格的時(shí)序作為原子操作，比如用I/O端口來(lái)訪問(wèn)DS1302、24C01、LM75A等等。在這類(lèi)設(shè)備的操作過(guò)程中，不允許有其它任務(wù)來(lái)控制對(duì)應(yīng)的I/O端口，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至器件損壞。所以，這種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計(jì)“原子操作”，把必須連貫操作的時(shí)序控制代碼用互斥對(duì)象封裝成一個(gè)“原子操作”，以適應(yīng)多任務(wù)環(huán)境。其實(shí)，大部分設(shè)備都是這樣，需要確定“原子操作”，如LCD、RTL8019AS、Flash等等也是如此。

　　關(guān)于驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，還有很多很多的文章可作，需要具體問(wèn)題具體分析。在這里我就不列出個(gè)條條目目了，希望有興趣的朋友多多討論。[1]

　　參考資料

　　1. uC/OS-II系統(tǒng)開(kāi)發(fā)筆記 ．電子開(kāi)發(fā)網(wǎng)[引用日期2013-06-14]

　　2. 優(yōu)先級(jí) ．電子發(fā)燒友網(wǎng)[引用日期2013-06-4]