第二章 内核结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式系统,Embedded System,教师：白华,邮箱：,baihua2000,电话：,18602689524,办公室：,4A-409,第二章,C,/OS-II,内核结构,主要内容,C/OS-II,中的任务,任务代码、任务的状态、任务控制块、任务堆栈、任务优先级,任务的操作,任务的建立、任务的就绪、任务调度和切换、任务的删除 等,通过一个例程了解,C/OS-II,的内核结构,2.1,C,/OS-II,中的任务,任务是实现某种功能的代码段，通常是一个无限循环。,C/OS-II,的任务有两种：用户任务和系统任务。,用户任务：由应用程序设计者编写,系统任务：由系统提供,C/OS-II,定义了两个系统任务：空闲任务、统计任务,uC,/OS-II,可以管理,64,个任务,必须给任务赋予不同的优先级。,uC,/OS-II,总是运行进入就绪的优先级最高的任务。,从存储结构看，,C/OS-II,的任务由三个部分组成：,任务程序代码,任务堆栈,（用来保存任务的工作环境）,任务控制块,（记录了任务的各个属性）。,2.1.1,任务的概念,从代码形式上看，用户任务就是一个,C,语言函数,，必须是左边两种结构之一。,任务决不返回，返回类型必须为,void,型,void,YourTask,(void*,pdata,)for(;),/*,用户代码*,/,调用服务例程，如,OSTimeDly,();,void,YourTask,(void*,pdata,),/*,用户代码*,/,OSTaskDel,(OS_PRIO_SELF),2.1.2,任务代码,2.1.3,任务控制块（,OS_TCB,）,任务控制块是一个数据结构。,当任务的,CPU,使用权被剥夺时，,m,C,/OS-II,用来保存该任务的状态。,当任务重新获得,CPU,的使用权时，任务块能够确保任务从当时被中断的那一点丝毫不差的继续执行。,当任务建立时，一个任务控制块,OS_TCB,就被赋值。,OS_TCB,全部驻留在,RAM,中。,每个任务都有一个相应的任务控制块（即都有一个,OS_TCB,类型的数据结构体）。,任务控制块可理解为任务信息的记录者，记录任务的各个属性。,为了全面地记录任务信息，,OS_TCB,数据结构体中包含了多个成员变量，例如：,.,OSTCBPrio,任务的优先级,.,OSTCBStkPtr,指向任务堆栈栈顶的指针,.,OSTCBStkBottom,指向任务堆栈栈底的指针,.,OSTCBStat,任务的状态字，当其等于,OS_STAT_READY,时，任务进入就绪态,.,OSTCBDly,任务允许等待事件发生的最多时钟节拍数，如果这个变量为,0,，则表示没有时间限制，可无限等待,所有任务控制块都是放在任务控制块列表数组OSTCBTbl,中的。,在系统初始化时，所有任务控制块都被链接成单向空任务链表。,任务一旦建立，空任务控制块指针,OSTCBFreeList,指向的任务控制块便赋给了该任务，然后指针的值调整为指向链表中下一个空的任务控制块。,一旦任务被删除，任务控制块就还给空任务链表。,OS_MAX_TASKS,用户应用程序可以有的最多任务数。,OS_N_SYS_TASKS,系统任务数（目前有,2,个：空闲任务和统计任务）,m,C,/OS-II,用任务控制链表对任务进行管理。,m,C,/OS-II,在,m,C,/OS-II.H,中还定义了一个数据类型为,OS_TCB*,的数组,OSTCBPrioTbl,，保存的控制块指针按任务优先级排序。,2.1.4,任务堆栈,任务堆栈的创建（,每个任务都有自己的堆栈，,用来保存任务的工作环境,）,OS_CPU.H,中定义了一个,数据类型,OS_STK,:,typedef,unsigned,int,OS_STK,在定义任务堆栈的栈区时，只要定义一个,OS_STK,类型的数组即可：,#define TASK_STK_SIZE 512,OS_STK,TaskStkTASK_STK_SIZE,;,任务堆栈的初始化,:,OSTaskStkInit,(),通常用户不会直接接触到这个函数，该函数由任务创建函数,OSTaskCreate,（）来调用。,堆栈的增长方向随系统所使用的处理器不同而不同。,OS_CFG.H,文件中定义了一个常数,OS_STK_GROWTH,m,C,/OS-II,中，每个任务的优先级以,0,1,2,，,63,来表示，数字越小，优先级越高。,用户可以设置需要任务的实际数目，,OS_CFG.H,中定义了一个常数,OS_LOWEST_PRIO,系统总是把最低优先级别,OS_LOWEST_PRIO,自动赋给空闲任务。如果应用程序使用了统计任务，系统还会将,OS_LOWEST_PRIO-1,自动赋给统计任务。,任务优先级的确定，需要在任务创建函数,OSTaskCreate,（）中指定。,每一个任务都有唯一的优先级别，优先级是任务在系统中的标识。,21.5,任务的优先级,2.1.6,任务的状态,任务在没有被配备任务控制块或被剥夺了任务控制块时的状态叫做任务的,睡眠状态,正在运行的任务，需要等待一段时间或需要等待一个事件发生再运行时，该任务就会把,CPU,的使用权让给别的任务而使任务进入,等待状态,。,系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记，这时任务的状态叫做,就绪状态,。,处于就绪状态的任务如果经调度器判断获得了,CPU,的使用权,，则任务就进入,运行状态,一个正在运行的任务一旦响应中断申请就会中止运行而去执行中断服务程序，这时任务的状态叫做,中断服务状态,2.2,任务的操作,2.2.1,任务的创建,在开始多任务调度前必须建立至少一个任务。,m,C,/OS-II,通过系统函数,OSTaskCreate,(),或,OSTaskCreateExt,(),创建任务。,任务不能由中断服务程序（,ISR,）建立。,INT8U,OSTaskCreate,（,void*task,void*,pdata,OS_STK*,ptos,INT8U,prio,）,返回以下常数或变量之一：,OS_PRIO_EXIST,OS_PRIO_INVALID,err,/*,pdata,是任务开始执行时，传递给任务的参数的指针 *,/,/*task,是指向任务代码的指针 *,/,/*,ptos,是分配给任务的堆栈的栈顶指针 *,/,/*,prio,是分配给任务的优先级,*,/,OSTaskCreateExt,(),是,OSTaskCreate,(),的扩展，提供了一些附加的功能。,OSRdyGrp,任务就绪表的示意图,OSRdyTbl,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,1/0,0,1,2,3,4,5,6,7,x,y,0,1,2,3,4,5,6,7,2.2.2,任务的就绪,OSRdyGrp,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,1,1,1,1,0,0,0,0,prio,=29,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,1,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,1OSRdyTbl3,把,prio,为,29,的任务置为就绪状态,Y,X,OSRdyGrp,|=,OSMapTblprio,3;,OSRdyTblprio,3,|=OSMapTblprio,OSMapTbl0=00000001B OSMapTbl1=00000010B,OSMapTbl2=00000100B OSMapTbl3=00001000B,OSMapTbl4=00010000B OSMapTbl5=00100000B,OSMapTbl6=01000000B OSMapTbl7=10000000B,可以用下面的代码把优先级别为,prio,的任务置为就绪状态：,OSRdyGrp,|=,OSMapTblprio,3;,OSRdyTblprio,3|=OSMapTblprio,使用如下代码可以使一个优先级别为,prio,的任务脱离就绪状态：,if(OSRdyTblprio,3&=OSMapTblprio&0 x07)=0),OSRdyGrp,&=,OSMapTblprio,3;,使用如下代码可以从任务就绪表中获取优先级别最高的就绪任务：,y=,OSUnMapTalOSRdyGrp,;,/D5,、,D4,、,D3,位,x=,OSUnMapTalOSRdyTbly,;,/,D2,、,D1,、,D0,位,prio,=(y3)+x,;,/,优先级别,或,y=,OSUnMapTblOSRdyGrp,;,prio,=(INT8U)(y 3)+,OSUnMapTblOSRdyTbly,);,INT8U const,OSUnMapTbl,=,0,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x00 to 0 x0F */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x10 to 0 x1F */,5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x20 to 0 x2F */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x30 to 0 x3F */,6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x40 to 0 x4F */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x50 to 0 x5F */,5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x60 to 0 x6F */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x70 to 0 x7F */,7,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x80 to 0 x8F */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 x90 to 0 x9F */,5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xA0 to 0 xAF */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xB0 to 0 xBF */,6,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xC0 to 0 xCF */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xD0 to 0 xDF */,5,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xE0 to 0 xEF */,4,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0 xF0 to 0 xFF */,;,uc/os,-II,总是运行进入就绪态任务中优先级最高的任务。确定哪个任务优先级最高，该运行哪个任务，由调度器完成的。任务级的调度由函数,OSSched,（）完成，中断级的调度由函数,OSIntExt,（）完成。,2.2.3,任务的调度和切换,void,OSSched,(void),#if OS_CRITICAL_METHOD=3,OS_CPU_SR,cpu_sr,;,#,endif,INT8U y;,OS_ENTER_CRITICAL();,if(,OSLockNesting,|,OSIntNesting,)=0),y =,OSUnMapTblOSRdyGrp,;,OSPrioHighRdy,=(INT8U)(y 3)+,OSUnMapTblOSRdyTbly,);,if(,OSPrioHighRdy,!=,OSPrioCur,),OSTCBHighRdy,=,OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy,;,OSCtxSwCtr,+;,OS_TASK_SW();,OS_EXIT_CRITICAL();,2.2.4,任务的其他管理函数,堆栈检验：,OSTaskStkChk,(),确定任务实际需要的堆栈空间大小,删除任务：,OSTaskDel,(),任务休眠，任务代码并未删除，只是不再被调用,请求删除任务：,OSTaskDelReq,(),改变任务的优先级：,OSTaskChangePrio,(),挂起任务：,OSTaskSuspend,(),空闲任务不能被挂起,恢复任务：,OSTaskResume,(),被挂起的任务只能通过该函数恢复,获得任务信息：,OSTaskQuery,(),获得指定任务的,OS_TCB,中内容的拷贝,2.3,例程解析,共有,10,个任务在屏幕随机的位置上显示一个,09,的数字。每个任务只显示同一个数字，也就是其中一个任务在随机位置显示,0,，另一个显示,1,，等等。,该例程目的在于演示,m,C,/OS-II,的多任务处理能力。,#include,includes.h,includes.h,是主控头文件，包含所有相关的头文件从此可使用系统提供的数据类型、系统函数和全局变量等。,#define TASK_STK_SIZE 512,#define N_TASKS 10,定义两个常数：,TASK_STK_SIZE,表示堆栈可容纳的指针元数目；,N_TASKS,表示需要建立的任务数。,OS_STK,TaskStk,N_TASKS TASK_STK_SIZE;,OS_STK,TaskStartStk,TASK_STK_SIZE;,char,TaskData,N_TASKS;,OS_EVENT *,RandomSem,;,定义不同类型的变量（或数组）,void,Task(void,*data);,void,TaskStart(void,*data);,static void,TaskStartCreateTasks(void,);,static void,TaskStartDispInit(void,);,static void,TaskStartDisp(void,);,自定义函数声明,void main(void),PC_DispClrScr(DISP_FGND_WHITE,+DISP_BGND_BLACK);,OSInit,();,PC_DOSSaveReturn,();,PC_VectSet(uCOS,OSCtxSw,);,RandomSem,=OSSemCreate(1);,OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,&,TaskStartStkTASK_STK_SIZE,-1,0);,OSStart,();,PC_DispClrScr,(),为系统函数，具有清屏功能。（）中的参数表示前景色为白色，背景色为黑色。,void main(void),PC_DispClrScr(DISP_FGND_WHITE,+DISP_BGND_BLACK);,OSInit,();,PC_DOSSaveReturn,();,PC_VectSet(uCOS,OSCtxSw,);,RandomSem,=OSSemCreate(1);,OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,&,TaskStartStkTASK_STK_SIZE,-1,0);,OSStart,();,非常重要的系统函数，执行,C,/OS-II,的初始化。,在使用,C,/OS-II,的所有服务之前，必须要调用,C,/OS-II,的初始化函数,OSInit,(),对,C,/OS-II,自身的运行环境进行初始化。,函数,OSInit,(),将对,C,/OS-II,的所有的全局变量和数据结构进行初始化，同时创建空闲任务,OSTaskIdle,，并赋之以最低的优先级别和永远的就绪状态。如果用户应用程序还要使用统计任务的话（常数,OS_TASK_STAT_EN=1,），则,OSInit,(),还要以优先级别为,OS_LOWEST_PRIO-1,来创建统计任务。,初始化函数,OSInit,(),对数据结构进行初始化时，主要要创建,5,个空数据缓冲区（任务控制块、事件控制块、消息队列控制块、标志控制块、存储控制块）。,为了可以快速地查询任务控制块链表中的各个元素，初始化函数,OSInit,(),还要创建一个数组,OSTCBPrioTblOS_LOWEST_PRIO,+1,，在这个数组中，按任务的优先级别的顺序把任务控制块的指针存放在了对应的元素中。,2.3.1,C,/OS-II,的初始化（,OSInit,(),函数）,void main(void),PC_DispClrScr(DISP_FGND_WHITE,+DISP_BGND_BLACK);,OSInit,();,PC_DOSSaveReturn,();,PC_VectSet(uCOS,OSCtxSw,);,RandomSem,=OSSemCreate(1);,OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,&,TaskStartStkTASK_STK_SIZE,-1,0);,OSStart,();,PC_DOSSaveReturn,();,/*,返回到没有运行,mCOS,-II,之前的,DOS,环境*,/,PC_VectSet(uCOS,OSCtxSw,);,/*,指定任务切换处理函数*,/,RandomSem,=OSSemCreate(1);,/*,建立一个信号量*,/,信号量是由,m,C,/OS-II,提供的一种机制，用于防止多个任务同时访问同一资源（如产生随机数的函数）。这里信号量初值设置为,1,，通知,m,C,/OS-II,在某一时刻只有一个任务可以调用随机数产生函数。该信号量建立函数返回一个指向信号量的指针。,OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,&,TaskStartStkTASK_STK_SIZE,-1,0);,/*,在开始多任务之前，必须建立至少一个任务。这里建立了一个叫做,TaskStart,(),的任务*,/,OSStart,();,/*,将控制权交给,m,C,/OS-II,内核，开始运行多任务*,/,2.3.2,C,/OS-II,的启动（,OSStart,(),函数）,多任务的启动是通过,OSStart,(),实现的。,在启动,m,C,/OS-II,之前，至少须建立一个应用任务。,OSStart,(),函数完成以下两个工作：,从任务就绪表中找出用户建立的优先级最高的任务的任务控制块，将该任务设为当前任务。,将上述任务的堆栈中保存的值弹回到,CPU,寄存器中，然后执行一条中断返回指令，强制执行该任务代码。,当,OSStart,(),执行后，即多任务启动以后，系统将在用户任务之间，或用户任务与系统任务之间切换，不再返回到主函数,main(),。,