单片机中嵌入操做系统

在单片机中嵌入操做系统的利弊  
     
摘要：近年来，在单片机系统中嵌入操做系统已经成为人们愈来愈关心的一个话题。本文经过对一种源码公开的单片机嵌入式实时操做系统μC/OS-II为例，阐述了在单片机中使用该嵌入式操做系统的优缺点，以及在应用中应当注意的一些问题。 

关键词：实时操做系统；μC/OS-II；单片机   
引言 
  早在20世纪60年代，就已经有人开始研究和开发嵌入式操做系统。但直到最近，它才在国内被愈来愈多的说起，在通讯、电子、自动化等须要实时处理的领域所日益显现的重要性吸引了人们愈来愈多的注意力。可是，人们所谈论的每每是一些著名的商业内核，诸如VxWorks、PSOS等。这些商业内核性能优越，但价格昂贵，主要用于16位和32位处理器中，针对国内大部分用户使用的51系列8位单片机，能够选择免费的μC/OS-II。   
μC/OS-II的特色  

1. μC/OS-II是由Labrosse先生编写的一个开放式内核，最主要的特色就是源码公开。这一点对于用户来讲可谓利弊各半，好处在于，一方面它是免费的，另外一方面用户能够根据本身的须要对它进行修改。缺点在于它缺少必要的支持，没有功能强大的软件包，用户一般须要本身编写驱动程序，特别是若是用户使用的是不太经常使用的单片机，还必须本身编写移植程序。  
2. μC/OS-II是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务能够剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权。这个特色使得它的实时性比非占先式的内核要好。一般咱们都是在中断服务程序中使高优先级任务进入就绪态（例如发信号），这样退出中断服务程序后，将进行任务切换，高优先级任务将被执行。拿51单片机为例，比较一下就能够发现这样作的好处。假如须要用中断方式采集一批数据并进行处理，在传统的编程方法中不能在中断服务程序中进行复杂的数据处理，由于这会使得关中断时间过长。因此常常采用的方法是置一标志位，而后退出中断。因为主程序是循环执行的，因此它总有机会检测到这一标志并转到数据处理程序中去。可是由于没法肯定发生中断时程序到底执行到了什么地方，也就没法判断要通过多长时间数据处理程序才会执行，中断响应时间没法肯定，系统的实时性不强。若是使用μC/OS-II的话，只要把数据处理程序的优先级设定得高一些，并在中断服务程序中使它进入就绪态，中断结束后数据处理程序就会被当即执行。这样能够把中断响应时间限制在必定的范围内。对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少的。但应该指出的是若是数据处理程序简单，这样作就未必合适。由于μC/OS-II要求在中断服务程序末尾使用OSINTEXIT函数以判断是否进行任务切换，这须要花费必定的时间。  
3. μC/OS-II和你们所熟知的Linux等分时操做系统不一样，它不支持时间片轮转法。μC/OS-II是一个基于优先级的实时操做系统，每一个任务的优先级必须不一样，分析它的源码会发现，μC/OS-II把任务的优先级当作任务的标识来使用，若是优先级相同，任务将没法区分。进入就绪态的优先级最高的任务首先获得CPU的使用权，只有等它交出CPU的使用权后，其余任务才能够被执行。因此它只能说是多任务，不能说是多进程，至少不是咱们所熟悉的那种多进程。显而易见，若是只考虑实时性，它固然比分时系统好，它能够保证重要任务老是优先占有CPU。可是在系统中，重要任务毕竟是有限的，这就使得划分其余任务的优先权变成了一个让人费神的问题。另外，有些任务交替执行反而对用户更有利。例如，用单片机控制两小块显示屏时，不管是编程者仍是使用者确定但愿它们同时工做，而不是显示完一块显示屏的信息之后再显示另外一块显示屏的信息。这时候，要是μC/OS-II即支持优先级法又支持时间片轮转法就更合适了。  
4. μC/OS-II对共享资源提供了保护机制。正如上文所提到的，μC/OS-II是一个支持多任务的操做系统。一个完整的程序能够划分红几个任务，不一样的任务执行不一样的功能。这样，一个任务就至关于模块化设计中的一个子模块。在任务中添加代码时，只要不是共享资源就没必要担忧互相之间有影响。而对于共享资源（好比串口），μC/OS-II也提供了很好的解决办法。通常状况下使用的是信号量的方法。简单地说，先建立一个信号量并对它进行初始化。当一个任务须要使用一个共享资源时，它必须先申请获得这个信号量，而一旦获得了此信号量，那就只有等使用完了该资源，信号量才会被释放。在这个过程当中即便有优先权更高的任务进入了就绪态，由于没法获得此信号量，也不能使用该资源。这个特色的好处显而易见，例如当显示屏正在显示信息的时候，外部产生了一个中断，而在中断服务程序中须要显示屏显示其余信息。这样，退出中断服务程序后，原有的信息就可能被破坏了。而在μC/OS-II中采用信号量的方法时，只有显示屏把原有信息显示完毕后才能够显示新信息，从而能够避免这个现象。不过，采用这种方法是以牺牲系统的实时性为代价的。若是显示原有信息须要耗费大量时间，系统只好等待。从结果上看，等于延长了中断响应时间，这对于未显示信息是报警信息的状况，无疑是致命的。发生这种状况，在μC/OS-II中称为优先级反转，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。在上述状况下，在两个任务之间发生优先级反转是没法避免的。因此在使用μC/OS-II时，必须对所开发的系统了解清楚，才能决定对于某种共享资源是否使用信号量。  
         μC/OS-II在单片机使用中的一些特色：（1）在单片机系统中嵌入μC/OS-II将加强系统的可靠性，并使得调试程序变得简单。以往传统的单片机开发工做中常常遇到程序跑飞或是陷入死循环。能够用看门狗解决程序跑飞问题，而对于后一种状况，尤为是其中牵扯到复杂数学计算的话，只有设置断点，耗费大量时间来慢慢分析。若是在系统中嵌入μC/OS-II的话，事情就简单多了。能够把整个程序分红许多任务，每一个任务相对独立，而后在每一个任务中设置超时函数，时间用完之后，任务必须交出CPU的使用权。即便一个任务发生问题，也不会影响其余任务的运行。这样既提升了系统的可靠性，同时也使得调试程序变得容易。  
    （2）在单片机系统中嵌入μC/OS-II将增长系统的开销。如今所使用的51单片机，通常是指87C51或者89C51，其片内都带有必定的RAM和ROM。对于一些简单的程序，若是采用传统的编程方法，已经不须要外扩存储器了。若是在其中嵌入μC/OS-II的话，在只须要使用任务调度、任务切换、信号量处理、延时或超时服务的状况下，也不须要外扩ROM了，可是外扩RAM是必须的。因为μC/OS-II是可裁减的操做系统，其所须要的RAM大小就取决于操做系统功能的多少。举例来讲，μC/OS-II容许用户定义最大任务数。因为每创建一个任务，都要产生一个与之相对应的数据结构TCB，该数据结构要占用很大一部份内存空间。因此在定义最大任务数时，必定要考虑实际状况的须要。若是定得过大，势必会形成没必要要的浪费。嵌入μC/OS-II之后，总的RAM需求能够由以下表达式得出：  
     RAM总需求=应用程序的RAM需求+内核数据区的RAM需求+（任务栈需求+最大中断嵌套栈需求）·任务数 
   所幸的是，μC/OS-II能够对每一个任务分别定义堆栈空间的大小，开发人员可根据任务的实际需求来进行栈空间的分配。但在RAM容量有限的状况下，仍是应该注意一下对大型数组、数据结构和函数的使用，别忘了，函数的形参也是要推入堆栈的。 
5.  μC/OS-II的移植也是一件须要值得注意的工做。若是没有现成的移植实例的话，就必须本身来编写移植代码。虽然只须要改动两个文件，但仍须要对相应的微处理器比较熟悉才行，最好参照已有的移植实例。另外，即便有移植实例，在编程前最好也要阅读一下，由于里面牵扯到堆栈操做。在编写中断服务程序时，把寄存器推入堆栈的顺序必须与移植代码中的顺序相对应。   
6. 和其余一些著名的嵌入式操做系统不一样，μC/OS-II在单片机系统中的启动过程比较简单，不像有些操做系统那样，须要把内核编译成一个映像文件写入ROM中，上电复位后，再从ROM中把文件加载到RAM中去，而后再运行应用程序。μC/OS-II的内核是和应用程序放在一块儿编译成一个文件的，使用者只须要把这个文件转换成HEX格式，写入ROM中就能够了，上电后，会像普通的单片机程序同样运行。   结语 
     由以上介绍能够看出，μC/OS-II具备免费、使用简单、可靠性高、实时性好等优势，但也有移植困难、缺少必要的技术支持等缺点，尤为不像商用嵌入式系统那样获得普遍使用和持续的研究更新。但开放性又使得开发人员能够自行裁减和添加所需的功能，在许多应用领域发挥着独特的做用。固然，是否在单片机系统中嵌入μC/OS-II应视所开发的项目而定，对于一些简单的、低成本的项目来讲，就不必使用嵌入式操做系统了。