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標題: 嵌入式操作系統μC/OS-III相關改動 [打印本頁]

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

   大家好，我講講μC/OS-III，原來是μC/OS-II，現在到了μC/OS-III。今年第一期《電子產品世界》里有一篇調查，有627份中國嵌入式系統工程師的調查問卷，顯示出現在用的最多的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計的實時操作系統，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，據我了解，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《嵌入式實時系統在物理學應用》的一個講習班，講習班大部分是印度人、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，用查表的辦法來確定優先級。90%以上的代碼是自己寫的，和硬件無關，相關的代碼不到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。
到了2000年的時候，再想回到μC/OS的時候，已經不太可能，μC/OS-II出來了，后來第二年，電力出版社買了版權，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，是一個很好用的操作系統，對于學校教學來說，這個功能很強，又很復雜。在教學上不如老版本了。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，當時發表文章都沒人理他，后來放到網上，下載的人很多，慢慢得到認可，所以最早1.08的版本，是放在網上，是不要版權的。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，它是基于優先級的，用查表的算法去管理64個任務，只能取0~63這64個優先級。今年3月，已經有μC/OS-III發布可以使用了。
   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個優先級，而且優先級不能重復，現在允許幾個任務使用同一個優先級，在同一個優先級里面，支持時間片調度法；第二個是允許用戶在程序運行中動態配置實時操作系統內核資源，比如，任務、任務棧、信號量、事件標志組、消息隊列、消息數、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資源不夠分配的問題。在資源復用上，也做了一些改進。μC/OS-II中，最多任務數有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、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：除每個任務的最長關中斷時間，內在性能測試允許用戶測得系統的最長關中斷時間。就是它提供了一些工具可以測量每個任務關中斷的時間；用戶在測得每個任務的最長禁止調度時間基礎上，可以測得系統禁止任務調度的最長時間，也是說做了個測量；每次發出的信息都帶有時間戳，用戶也容易得到任務級的響應時間；性能測試還包括任務切換次數計數器和每個任務的CPU使用率等，這個在調試的時候，還是蠻有用的。第六，μC/OS-III設計成能方便地按照CPU架構優化，特別是其數據類型可按照CPU能適應的最佳位數寬度修改（8-16-32）；選擇和確定優先級的算法可以用匯編語言寫，以發揮一些有特殊指令的CPU的優勢，有很多CPU有置位和復位指令，計數器計到零，還有就是找出第一個不為零位指令等。第七條，有很多數需要自行處理的內部據結構和變量，是通過給調度器上鎖的方式保護這些臨界段代碼的，不使用關中斷的方式，內核關中斷的時鐘周期幾乎為零，這就保證了μC/OS-III能夠響應哪些最快的中斷等。第八，μC/OS-III還支持內核覺察式調試，用戶友好地使內置內核覺察調試器檢查、顯示μC/OS-III的變量、數據結構、支持μC/Probe工具在程序運行過程中動態顯示修改各種變量。從這些改動上來看，μC/OS-III還是比以前做了很大的優化的，和以前的產品有很多的區別。
   我覺得從小內核μC/OS-II到μC/OS-III，已經有17年過去了，很多性能在往大的比較出名的操作系統，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，它曾經是一個靠BSP支持的黑盒子，用戶可以不關心這些源碼，它是這樣一種思路。近年來也在公開源碼。
   看到消息說，Wind River打算進一步轉向Linux用于ARM和PowerPC，Intel為支持多核設計，打算發展軟件，如嵌入式應用、Linux。多核應用是為了INTEL的重點。面前μC/OS-II的商業模式還是主要靠出書，讓學生學習使用，現在它的團隊有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、TCP/IP等等，從網站上我們看到，大部分都是第三方合作開發的，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合。用戶根據自己需要可以去組合。商業模式這些事情，其實我并不是很懂，我教書就想用老的，教書挺好的，所以商業模式這一塊我也是瞎說，呵呵。
   思考和體會，經過17年，從1個小內核發展成為1個可以和大的商業RTOS媲美的專門用于嵌入式系統的成熟的RTOS體系，一個特點就是開放源代碼，讓很多工程師，從學習，到認識，到使用。作為一個軟件，一個內核，就需要維護，需要團隊，它的團隊現在很小，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；也需要和它發展相適應的商業模式；也會是對VxWorks等大公司產品的一種沖擊。我就總結了這么幾條。關于μC/OS的實時性問題，其實有一個函數就是delay這個函數，如果有64個任務的話，就有64個需要delay的計數器，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，任務多的時候，時間就長，任務少的時候，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，它有一個協處理器是專門來響應中斷的，把定時這個功能放到協處理器來做，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，就是把時鐘節拍放到33微秒或者62微秒這樣來處理的話，如果不加協處理器的話，時鐘節拍就占到53%，那就沒法用了。如果用協處理器做這些事，協處理器處理這些事大概在75微秒，這樣就把硬實時用雙內核就實現了，所以雙內核對這個還是很有好處的。
實時多任務操作系統uCOS-III的特點
   uCOS-III是一個全新的實時內核，源于世界上最流行的實時內核uC/OS-II，除了提供熟悉的一系列系統服務，全面修訂了API接口，使uC/OS-III更直觀，更容易使用。該產品可以廣泛應用于通信，工業控制，儀器儀表，汽車電子，消費電子，辦公自動化設備等的設計開發。
   uCOS-III是一個搶占的多任務內核，支持優先級相同的任務輪詢調度。它可以移植到許多不同的CPU架構。uC/OS-III是專為嵌入式系統設計，可以與應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。所有內核對象，如任務，堆棧，信號量，事件標志組，消息隊列，消息數量，互斥信號量，內存分區和定時器，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允許有任意數量的任務，信號量，互斥信號量，事件標志，消息隊列，定時器和內存分區（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，可嵌套任務暫停，不需要信號量可發信號給任務，不需要消息隊列可發送消息給任務，等待多個內核對象，針對'errno'或其他任務的特定狀況的任務注冊，內置的性能測量，死鎖預防，用戶定義的鉤函數等。
   uCOS-III還內置了支持內核感知調試。允許內核感知調試器以用戶友好的方式檢測和顯示uC/OS-III的變量和數據結構，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內核，始終運行進入就緒態的最重要的任務。μC/OS-III支持無限數量的任務，并允許在運行時，監測堆棧增長的任務。它還支持無限數量的優先級。然而，通常情況下，對于大多數應用，32至256個不同的優先級是足夠的。
   對于今天的設計，特別有用的是具有同等優先級的輪轉調度的任務。μC/OS-III允許多個任務運行在同一優先級，每一個任務運行由用戶指定的時間片。每個任務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，每個任務可以放棄時間片。μC/OS-III還允許無限數量的內核對象，如任務，信號量，互斥，信號旗，消息隊列，計時器和內存分區。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有一些內部數據結構和變量，需要獲得原子訪問權（不能夠被打斷的）。這些關鍵區域的保護由鎖調度，而不是由禁用中斷實現。中斷被禁用的時鐘周期幾乎為零，確保了實時操作系統將能夠響應一些最快的中斷源。
   允許任務使用同一優先級。對同一優先級的多個任務，采用時間片調度法。
   可以有任意多的任務，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，可嵌套的任務掛起。
   向無信號量請求的任務發送信號量，向無消息隊列請求的任務發送消息。
   任務可被內核的多個元素掛起（多重掛起）。
   增加為其他任務的狀態或“出錯代碼”服務的任務。
   內在的性能測試。不僅能得到每個任務的最長關中斷時間和最長禁止調度時間，還能得到系統的最長關中斷時間和最長禁止調度時間。
   選擇和確定優先級的算法可以用匯編語言寫，以發揮一些有特殊指令的CPU的優勢，如：置位和復位指令；計數器清零（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中斷改為給調度器上鎖的方式，使得內核關中斷的時鐘周期數幾乎為零，保證了 μC/OS-III 能以最快的速度響應中斷。

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

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