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標題: 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III相關(guān)改動 [打印本頁]

作者: liuyang 時間: 2013-11-22 00:19
標題: 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III相關(guān)改動
   邵老師長期從事單片機和嵌入式系統(tǒng)教學(xué)和應(yīng)用工作，并負責清華大學(xué)飛思卡爾實驗室工作。邵老師與大家分享了μC/OS的發(fā)展經(jīng)歷，即將發(fā)布的μC/OS-III的細節(jié)，以及他對未來嵌入式操作系統(tǒng)的認識。
以下是文字實錄。

   大家好，我講講μC/OS-III，原來是μC/OS-II，現(xiàn)在到了μC/OS-III。今年第一期《電子產(chǎn)品世界》里有一篇調(diào)查，有627份中國嵌入式系統(tǒng)工程師的調(diào)查問卷，顯示出現(xiàn)在用的最多的38%使用Linux，排在第二個就是μC/OS-II占到34%，其中μC/OS-II還是專門為嵌入式設(shè)計的實時操作系統(tǒng)，說明μC/OS-II從前幾年進到中國以來，是有影響力的操作系統(tǒng)，據(jù)我了解，在美國好像還沒有這么多的影響。影響力比較大的是中國和印度這樣大的發(fā)展中國家，也包括日本和韓國。我們可以看到幾乎能想到的CPU，在網(wǎng)上都可以下載到、移植的范例，這還不是全部，很多像Altera軟核里面都有μC/OS的移植。
   最早μC/OS是一本書，是93年出的，95年我到意大利國際物理中心準備做instructor，開一個叫做《嵌入式實時系統(tǒng)在物理學(xué)應(yīng)用》的一個講習(xí)班，講習(xí)班大部分是印度人、中國人等，講課老師大部分從歐洲核研究中心和美國大學(xué)來的，其中就拿了這個東西作為教材。它最早是為摩托羅拉68HC11增強型單片機寫的，管理四個任務(wù)，用查表的辦法來確定優(yōu)先級。90%以上的代碼是自己寫的，和硬件無關(guān)，相關(guān)的代碼不到200行，書上提供了一個可以在PC上跑的一個8088范例，可裁剪可固化，其實μC/OS這本書是個很好的教材，只有261頁，其中有100頁是源代碼，解釋了150頁。后來這本書，96年以后，在我們實驗室，給研究生用的較多，一直沒找到哪個出版社愿意買它的版權(quán)。
到了2000年的時候，再想回到μC/OS的時候，已經(jīng)不太可能，μC/OS-II出來了，后來第二年，電力出版社買了版權(quán)，我們就翻譯了一下，到了第三本書，μC/OS-II這本書，這個就有了差不多600頁，而且把源碼附在光盤上，就被美國航空航天管理局認可的可以上直升飛機的一個操作系統(tǒng)，是一個很好用的操作系統(tǒng)，對于學(xué)校教學(xué)來說，這個功能很強，又很復(fù)雜。在教學(xué)上不如老版本了。這是第三本書的中譯文，2003年出的。我們看它的發(fā)展，在μC/OS一開始，書上有個μC/OS的故事，講到他寫的這個東西，當時發(fā)表文章都沒人理他，后來放到網(wǎng)上，下載的人很多，慢慢得到認可，所以最早1.08的版本，是放在網(wǎng)上，是不要版權(quán)的。到了1.10版本以后，被認可了，如果想要拿去牟利的話，就要給他一些回報。但作為教學(xué)研究，不謀利的時候，還是可以使用的。μC/OS也好，μC/OS-II也好，它是基于優(yōu)先級的，用查表的算法去管理64個任務(wù)，只能取0~63這64個優(yōu)先級。今年3月，已經(jīng)有μC/OS-III發(fā)布可以使用了。
   那么從μC/OS-II到μC/OS-III有哪些不同的地方呢？增加了什么，我們看改動還是很大的。一個是原來只有0~63個優(yōu)先級，而且優(yōu)先級不能重復(fù)，現(xiàn)在允許幾個任務(wù)使用同一個優(yōu)先級，在同一個優(yōu)先級里面，支持時間片調(diào)度法；第二個是允許用戶在程序運行中動態(tài)配置實時操作系統(tǒng)內(nèi)核資源，比如，任務(wù)、任務(wù)棧、信號量、事件標志組、消息隊列、消息數(shù)、互斥型信號量、存儲塊劃分和定時器，可以在程序運行中變更。這樣，用戶可以避免在程序編譯過程中出現(xiàn)資源不夠分配的問題。在資源復(fù)用上，也做了一些改進。μC/OS-II中，最多任務(wù)數(shù)有64個，到了版本2.82以后是256個，μC/OS-III中，用戶可以由任意多的任務(wù)、任意多的信號量、互斥型信號量、事件標志、消息列表、定時器和任意分配的存儲塊容量，僅受限于用戶CPU可以使用的RAM量。這個也是一個很大的擴展。（問：邵老師，它的這個數(shù)是啟動時就固定的，還是啟動后隨便定？）它是配置的時候可以自由定義的，只有你的RAM足夠大的話。第四點是增加了很多功能，功能總是越來越多的，大伙可以看一下的。原來這些功能在μC/OS-II里面是沒有的。
   下面一點：除每個任務(wù)的最長關(guān)中斷時間，內(nèi)在性能測試允許用戶測得系統(tǒng)的最長關(guān)中斷時間。就是它提供了一些工具可以測量每個任務(wù)關(guān)中斷的時間；用戶在測得每個任務(wù)的最長禁止調(diào)度時間基礎(chǔ)上，可以測得系統(tǒng)禁止任務(wù)調(diào)度的最長時間，也是說做了個測量；每次發(fā)出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務(wù)級的響應(yīng)時間；性能測試還包括任務(wù)切換次數(shù)計數(shù)器和每個任務(wù)的CPU使用率等，這個在調(diào)試的時候，還是蠻有用的。第六，μC/OS-III設(shè)計成能方便地按照CPU架構(gòu)優(yōu)化，特別是其數(shù)據(jù)類型可按照CPU能適應(yīng)的最佳位數(shù)寬度修改（8-16-32）；選擇和確定優(yōu)先級的算法可以用匯編語言寫，以發(fā)揮一些有特殊指令的CPU的優(yōu)勢，有很多CPU有置位和復(fù)位指令，計數(shù)器計到零，還有就是找出第一個不為零位指令等。第七條，有很多數(shù)需要自行處理的內(nèi)部據(jù)結(jié)構(gòu)和變量，是通過給調(diào)度器上鎖的方式保護這些臨界段代碼的，不使用關(guān)中斷的方式，內(nèi)核關(guān)中斷的時鐘周期幾乎為零，這就保證了μC/OS-III能夠響應(yīng)哪些最快的中斷等。第八，μC/OS-III還支持內(nèi)核覺察式調(diào)試，用戶友好地使內(nèi)置內(nèi)核覺察調(diào)試器檢查、顯示μC/OS-III的變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、支持μC/Probe工具在程序運行過程中動態(tài)顯示修改各種變量。從這些改動上來看，μC/OS-III還是比以前做了很大的優(yōu)化的，和以前的產(chǎn)品有很多的區(qū)別。
   我覺得從小內(nèi)核μC/OS-II到μC/OS-III，已經(jīng)有17年過去了，很多性能在往大的比較出名的操作系統(tǒng)，像VxWorks、Wind River上靠攏，何小慶告訴我Wind River最近被Intel收購了，看了Wind River的基本情況，應(yīng)該說VxWorks是公認的最好的嵌入式RTOS，是一個完整的自成體系的軟件包，但是在過去很多年，它曾經(jīng)是一個靠BSP支持的黑盒子，用戶可以不關(guān)心這些源碼，它是這樣一種思路。近年來也在公開源碼。
   看到消息說，Wind River打算進一步轉(zhuǎn)向Linux用于ARM和PowerPC，Intel為支持多核設(shè)計，打算發(fā)展軟件，如嵌入式應(yīng)用、Linux。多核應(yīng)用是為了INTEL的重點。面前μC/OS-II的商業(yè)模式還是主要靠出書，讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用，現(xiàn)在它的團隊有10人左右，比較小。我們知道如果一個軟件沒人維護，也是沒有生命力的，它僅僅維護一個內(nèi)核，在第三方有很多單位和它合作，做很多其他的事情，像人機界面、文件系統(tǒng)、TCP/IP等等，從網(wǎng)站上我們看到，大部分都是第三方合作開發(fā)的，我看第三方的報價也都不便宜，都在6000美元以上，當然有很多自由軟件也在和它在結(jié)合。用戶根據(jù)自己需要可以去組合。商業(yè)模式這些事情，其實我并不是很懂，我教書就想用老的，教書挺好的，所以商業(yè)模式這一塊我也是瞎說，呵呵。
   思考和體會，經(jīng)過17年，從1個小內(nèi)核發(fā)展成為1個可以和大的商業(yè)RTOS媲美的專門用于嵌入式系統(tǒng)的成熟的RTOS體系，一個特點就是開放源代碼，讓很多工程師，從學(xué)習(xí)，到認識，到使用。作為一個軟件，一個內(nèi)核，就需要維護，需要團隊，它的團隊現(xiàn)在很小，大概有10人；需要第三方的支持，靠這樣的形式來組織起來的；也需要和它發(fā)展相適應(yīng)的商業(yè)模式；也會是對VxWorks等大公司產(chǎn)品的一種沖擊。我就總結(jié)了這么幾條。關(guān)于μC/OS的實時性問題，其實有一個函數(shù)就是delay這個函數(shù)，如果有64個任務(wù)的話，就有64個需要delay的計數(shù)器，每次時間中斷的時候，都要來查這張表，一個一個地把它去delay，任務(wù)多的時候，時間就長，任務(wù)少的時候，時間就少，這是μC/OS唯一達不到硬實時的地方，。在這個地方上，還不能說實時性還是硬實時，除非你把時間定義為這個表上的時間，解決辦法呢？這是我們最近做的一些工作，就是用雙核16位的freescale的HC12S這樣一個單片機，它有一個協(xié)處理器是專門來響應(yīng)中斷的，把定時這個功能放到協(xié)處理器來做，一個是定時器timer可以很短，從10毫秒可以到微秒級，可以到50微秒，我們做了一個測試，就是把時鐘節(jié)拍放到33微秒或者62微秒這樣來處理的話，如果不加協(xié)處理器的話，時鐘節(jié)拍就占到53%，那就沒法用了。如果用協(xié)處理器做這些事，協(xié)處理器處理這些事大概在75微秒，這樣就把硬實時用雙內(nèi)核就實現(xiàn)了，所以雙內(nèi)核對這個還是很有好處的。
實時多任務(wù)操作系統(tǒng)uCOS-III的特點
   uCOS-III是一個全新的實時內(nèi)核，源于世界上最流行的實時內(nèi)核uC/OS-II，除了提供熟悉的一系列系統(tǒng)服務(wù)，全面修訂了API接口，使uC/OS-III更直觀，更容易使用。該產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于通信，工業(yè)控制，儀器儀表，汽車電子，消費電子，辦公自動化設(shè)備等的設(shè)計開發(fā)。
   uCOS-III是一個搶占的多任務(wù)內(nèi)核，支持優(yōu)先級相同的任務(wù)輪詢調(diào)度。它可以移植到許多不同的CPU架構(gòu)。uC/OS-III是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，可以與應(yīng)用程序代碼一起固化到ROM中。
   uCOS-III可在運行時配置實時操作系統(tǒng)。所有內(nèi)核對象，如任務(wù)，堆棧，信號量，事件標志組，消息隊列，消息數(shù)量，互斥信號量，內(nèi)存分區(qū)和定時器，由用戶在運行時進行分配。這可以防止在編譯的時候分配過多資源。
   uCOS-III允許有任意數(shù)量的任務(wù)，信號量，互斥信號量，事件標志，消息隊列，定時器和內(nèi)存分區(qū)（僅受限于處理器可用的RAM大小）。
   uCOS-III添加了許多非常有用的功能，如：可嵌套互斥信號量，可嵌套任務(wù)暫停，不需要信號量可發(fā)信號給任務(wù)，不需要消息隊列可發(fā)送消息給任務(wù)，等待多個內(nèi)核對象，針對'errno'或其他任務(wù)的特定狀況的任務(wù)注冊，內(nèi)置的性能測量，死鎖預(yù)防，用戶定義的鉤函數(shù)等。
   uCOS-III還內(nèi)置了支持內(nèi)核感知調(diào)試。允許內(nèi)核感知調(diào)試器以用戶友好的方式檢測和顯示uC/OS-III的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也允許uC/Probe在運行時顯示和改變變量。
   μCOS-III是可以搶占的多任務(wù)內(nèi)核，始終運行進入就緒態(tài)的最重要的任務(wù)。μC/OS-III支持無限數(shù)量的任務(wù)，并允許在運行時，監(jiān)測堆棧增長的任務(wù)。它還支持無限數(shù)量的優(yōu)先級。然而，通常情況下，對于大多數(shù)應(yīng)用，32至256個不同的優(yōu)先級是足夠的。
   對于今天的設(shè)計，特別有用的是具有同等優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)調(diào)度的任務(wù)。μC/OS-III允許多個任務(wù)運行在同一優(yōu)先級，每一個任務(wù)運行由用戶指定的時間片。每個任務(wù)可以定義自己的時間單元，如果其完整的時間單元并不是必需的，每個任務(wù)可以放棄時間片。μC/OS-III還允許無限數(shù)量的內(nèi)核對象，如任務(wù)，信號量，互斥，信號旗，消息隊列，計時器和內(nèi)存分區(qū)。μC/OS-III大部分是運行時可以配置。
   μC/OS-III提供接近零的中斷停用時間。μC/OS-III有一些內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和變量，需要獲得原子訪問權(quán)（不能夠被打斷的）。這些關(guān)鍵區(qū)域的保護由鎖調(diào)度，而不是由禁用中斷實現(xiàn)。中斷被禁用的時鐘周期幾乎為零，確保了實時操作系統(tǒng)將能夠響應(yīng)一些最快的中斷源。
   允許任務(wù)使用同一優(yōu)先級。對同一優(yōu)先級的多個任務(wù)，采用時間片調(diào)度法。
   可以有任意多的任務(wù)，任意多的信號量（semaphore）、互斥型信號量（mutex）、事件標志（event flag）、消息隊列（queue）、定時器（timer）和任意分配的存儲塊容量（僅受限于用戶 CPU 可以使用的 RAM 量）
   可嵌套的互斥型信號量，可嵌套的任務(wù)掛起。
   向無信號量請求的任務(wù)發(fā)送信號量，向無消息隊列請求的任務(wù)發(fā)送消息。
   任務(wù)可被內(nèi)核的多個元素掛起（多重掛起）。
   增加為其他任務(wù)的狀態(tài)或“出錯代碼”服務(wù)的任務(wù)。
   內(nèi)在的性能測試。不僅能得到每個任務(wù)的最長關(guān)中斷時間和最長禁止調(diào)度時間，還能得到系統(tǒng)的最長關(guān)中斷時間和最長禁止調(diào)度時間。
   選擇和確定優(yōu)先級的算法可以用匯編語言寫，以發(fā)揮一些有特殊指令的CPU的優(yōu)勢，如：置位和復(fù)位指令；計數(shù)器清零（CLZ）；找出第一個不為零位（FF1）指令等。
   訪問臨界資源的方法由關(guān)中斷改為給調(diào)度器上鎖的方式，使得內(nèi)核關(guān)中斷的時鐘周期數(shù)幾乎為零，保證了 μC/OS-III 能以最快的速度響應(yīng)中斷。

作者: hclin 時間: 2015-1-7 00:28
Good job !!!

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