23.1 操作系統(tǒng)概述

之前的實驗都是利用單片機實現某個單一功能，但是有時候需要在兩個功能同時運行，這時就需要引入操作系統(tǒng)的概念，操作系統(tǒng)（Operating System，簡稱OS）是一種管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內核與基礎，操作系統(tǒng)大致包括5種功能：進程管理，作業(yè)管理，存儲管理，設備管理與文件管理。

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)，分時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)，最初操作系統(tǒng)是不支持這種微型單片機的運行的，隨著科技的發(fā)展才產生了針對于這種M系列內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精簡版本），在STM32中一般運用FreeRTOS和uCos這兩種系統(tǒng)，Linux由于必須有內存才能運行，一般Linux系統(tǒng)需要大約200M的存儲空間才能裝下，我們這里采用uCos-II系統(tǒng)為例來進行嵌入式操作系統(tǒng)的移植實驗。

23.1.2 uCOS簡介

uCos系統(tǒng)最早出自于1992年美國嵌入式專家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)展到現在uCos-III已經出來，但是目前使用最廣泛的還是uCos-II，本單元我們采用uCos-II來進行介紹。

   uCos-II是一個可以基于ROM運行的，可裁剪的，搶占式，實時多任務內核，采用C語言進行編寫，這是一種專門為計算機的嵌入式應用設計的，CPU硬件相關部分采用匯編語言編寫，執(zhí)行效率高，占用空間小，最小內核可編譯至2Kbyte，uCos-II體系結構如下圖所示。

從上圖可以發(fā)現，我們移植系統(tǒng)的時候，只需要修改os_cpu.h，os_cpu_a.asm和os_cpu.c等三個文件即可，其中其中：os_cpu.h，進行數據類型的定義，以及處理器相關代碼和幾個函數原型；os_cpu_a.asm，是移植過程中需要匯編完成的一些函數，主要就是任務切換函數；os_cpu.c，定義一些用戶HOOK函數。

圖中定時器的作用是為UCOS-II提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，實現任務切換和任務延時等功能。這個時鐘節(jié)拍由OS_TICKS_PER_SEC（在os_cfg.h中定義）設置，一般我們設置uCos-II的系統(tǒng)時鐘節(jié)拍為1ms~100ms，具體根據你所用處理器和使用需要來設置。我們利用STM32F1的SYSTICK定時器來提供UCOS-II時鐘節(jié)拍。

uCos-II早期版本只支持64個任務，但是從2.80版本開始，支持任務數提高到255個，不過對我們來說一般64個任務都是足夠多了，一般很難用到這么多個任務。uCos-II保留了最高4個優(yōu)先級和最低4個優(yōu)先級的總共8個任務，用于拓展使用，但實際上，uCos-II一般只占用了最低2個優(yōu)先級，分別用于空閑任務（倒數第一）和統(tǒng)計任務（倒數第二），所以剩下給我們使用的任務最多可達255-2=253個（V2.91）。

所謂的任務，其實就是一個死循環(huán)函數，該函數實現一定的功能，一個工程可以有很多這樣的任務（最多255個），uCos-II對這些任務進行調度管理，讓這些任務可以并發(fā)工作（不是同時工作，并發(fā)只是各任務輪流占用CPU，而不是同時占用，任何時候還是只有1個任務能夠占用CPU），這就是uCos-II最基本的功能。

uCos-II的任何任務都是通過一個叫任務控制塊（TCB）的東西來控制的，每個任務管理塊有3個最重要的參數：1，任務函數指針；2，任務堆棧指針；3，任務優(yōu)先級；任務控制塊就是任務在系統(tǒng)里面的身份證（uCos-II通過優(yōu)先級識別任務）

在uCos-II中，使用CPU的時候，優(yōu)先級高（數值?。┑娜蝿毡葍?yōu)先級低的任務具有優(yōu)先使用權，即任務就緒表中總是優(yōu)先級最高的任務獲得CPU使用權，只有高優(yōu)先級的任務讓出CPU使用權（比如延時）時，低優(yōu)先級的任務才能獲得CPU使用權。uCos-II不支持多個任務優(yōu)先級相同，也就是每個任務的優(yōu)先級必須不一樣。任務的調度其實就是CPU運行環(huán)境的切換

uCos-II的每個任務都是一個死循環(huán)。每個任務都處在以下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)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)(等待某一事件發(fā)生)和中斷服務狀態(tài)。

（1）睡眠狀態(tài)：任務在沒有被配備任務控制塊或被剝奪了任務控制塊時的狀態(tài)。

（2）就緒狀態(tài)：系統(tǒng)為任務配備了任務控制塊且在任務就緒表中進行了就緒登記，任務已經準備好了，但由于該任務的優(yōu)先級比正在運行的任務的優(yōu)先級低，還暫時不能運行，這時任務的狀態(tài)叫做就緒狀態(tài)。

（3）運行狀態(tài)：該任務獲得CPU使用權，并正在運行中，此時的任務狀態(tài)叫做運行狀態(tài)。

（4）等待狀態(tài)：正在運行的任務，需要等待一段時間或需要等待一個事件發(fā)生再運行時，該任務就會把CPU的使用權讓給別的任務而使任務進入等待狀態(tài)。

（5）中斷服務狀態(tài)：一個正在運行的任務一旦響應中斷申請就會中止運行而去執(zhí)行中斷服務程序，這時任務的狀態(tài)叫做中斷服務狀態(tài)。

uCos-II任務的5個狀態(tài)轉換關系如圖

23.1.3 uCOS-II中與任務相關的函數

（1）創(chuàng)建進程：OSTaskCreate

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

函數參數：

task：指向任務代碼的指針

pdata：任務開始執(zhí)行時，傳遞給任務的參數的指針

ptos：分配給任務的堆棧的棧頂指針

prio：分配給任務的優(yōu)先級

每個任務都有自己的堆棧，堆棧必須申明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的內存空間組成?？梢造o態(tài)分配堆?？臻g，也可以動態(tài)分配堆?？臻g。

（2）刪除進程

函數原型：INT8U OSTaskDel( INT8U prio )

函數參數：

prio：進程的優(yōu)先級，該函數是通過任務優(yōu)先級來實現任務刪除的

（3）請求刪除進程

函數原型：INT8U OSTaskDelReq( INT8U prio )

函數參數：

prio：進程的優(yōu)先級

（4）修改進程優(yōu)先級

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

函數參數：

oldprio：進程的源優(yōu)先級

newprio：進程的新優(yōu)先級

（5）進程掛起

函數原型：INT8U OSTaskSuspend( INT8U prio )

函數參數：

prio：進程的優(yōu)先級

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

（6）恢復進程

函數原型：INT8U OSTaskResume( INT8U prio )

函數參數：

prio：進程的優(yōu)先級